Глава 15

Накопленные оптические проблемы.

15.1. Распрямление «верблюжьей спины».

Все, что вам до сих пор было показано, это как отдельные аберрации и передаточные вариации могут влиять на изображение. Более важен, однако, способ, которым складываются мелкие проблемы. «Шаткая этажерка» рисунка 3-1 показывает, как много погрешностей накапливаются коллекцией фильтров. Даже если каждый отдельный фильтр относительно неважен, общаяя фильтрация может передать изображение диффузным и неясным.

Концепция модуляционной передачи обрисованная в гл. 3 представила единый стандарт вокруг которого мы могли бы сплотиться. Определением оптического качества как способностью системы сохранять контраст в изображении, многие несоразмерные оптические проблемы сравнивались на общих основаниях.

Когда рассматривалась каждая оптическая проблема, предполагалось, что каждая погрешность была единственной трудностью. Конечно же, это нонсенс. Как волки, оптические проблемы бродят стаями. Выражение «максимально допустимая» использовалось в предидущих главах для индикации наихудшей величины одной погрешности, которую можно терпеть. К несчастью, любые дальнейшие потери качества изображения, откуда бы они ни производились, от каждой отдельной погрешности или нет, заставляют кривую МПФ перекашиваться даже еще ниже.

Для апертуры, беспокоимой приемлемыми величинами нескольких погрешностей, сосчитаем способность сохранять контраст, когда каждая допустимая оптическая проблема будет свалена в общую кучу. Это покажет, как не мог бы ни один раздел индивидуальной аберрации, ухудшение оптического качества, как накопление маленьких его весов. В конце концов, модуляционная передаточная функция коллапсирует под этим грузом. Иронически говоря, мы увидим, что несоответствие характериситик изображения в нашем примере не вызывается любой из погрешностей на стекле. Вместо этого, плохое изображение в основном является результатом суммированных эффектов нескольких погрешностей, включающих худую юстировку и неизбежное ухудшение атмосферных условий.

Опритческие проблемы таблицы 15-1 последовательно добавляются к совершенной апертуре. Примерный зрачек не необычен и может рассматриваться, даже лучше нормального. Итоговые погрешности в первой колонке прямо не добавляются, таким образом, среднеквадратичное отклонение видно, когда оно  аккумулируется в последней колонке. Величины зажатия оправы и разъюстировки, кажутся преувеличенными, но эти погрешности совсем не сравнимы с критерием Рэлея в ¼ длины волны. Поскольку они ограничены по площади в большей степени, чем погрешности коррекции, они должны иметь большую итоговую величину, чтобы иметь в результате такое же ухудшение. Все эти погрешности примерно одинаково скверны, и ни одно заметно не повредило бы изображению само по себе.

Таблица 15-1

Совокупные ошибки в длинах волны

Заметьте, что эта апертура не поражена заваленным краем, зонами, астигматизмом, или шероховатостью поверхности. Фактически, она бы прошла заводской тест очень неплохо, лишь с 1/5 длины волны недоисправленностью. Искажение наиболее важная здесь аберрация, так что мы можем думать об этой апертуре как об одном из тонко-зеркальных Ньютонов распространенных сегодня. Величина разъюстировки непротиворечива. Эти короткофокусные инструменты сложно поддерживать сколлимированными и многие из них обычно используются в состоянии плохой юстировки. Аберрация разъюстировки в 0.3 длины волны, когда появляется в одиночестве, все еще понижает контраст менее чем на ¼ длины волны сферической аберрации. Среднеквадратичное отклонение в последней колонке показывает как одни аберрации гаят другие. Например, разъюстировка появляющаяся в одиночестве повлияла бы на среднеквадратичное отклонение меьше, чем 0.07-ыми длины волны.

Собранные кривые МПФ появляются на рис. 15-1. Показана только одна кривая для каждой ассиметричной аберрации, все для одиноаковой ориентации штрих-теста. Каждая оптическая погрешность ухудшает изображение немного, некоторые кажутся сильнее на одних пространственных частотах, чем другие. Фактически, частная смесь, появляющаяся в этом примере, кажется сбалансированной. Сферическая аберрация выбивает контраст на более низких пространственных частотах (около 0.2 максимальной), когда разъюстировка действет более сильно на средних (0.5 максмальной). Квадратики представляют другую совершенную апертуру, имеющую сферическую аберрацию в 0.4 длин волны. Эта единственная аберрация соответствует достаточно хорошо нижне-ограничивающей кривой.

На удивление, эта диаграмма представляет типичные рабочие условия для большого астрономического телескопа. Выбор величины аберрации в этом примере был особенно щедрым к турбуленции воздуха.

Рис. 15-1. Фильтрация реалистичной апертуры. Кривые показывают фильтрацию, когда аберрации последовательно добавляются.

В соответствии с материалом, представленным ранее, выбранная величина турбуленции, оценивалась бы от верхней 8-и до нижней 9-и по шкале «видимости» Пиекринга.

Звездные тесты показаны на рис. 15-2, как если бы эти оптические проблемы добавлялись одна за другой. Каждая следующая картинка не на много хуже картинки выше, но нижний ряд существенно хуже первого.

Peter Ceravolo построил хорошо откалиброванный ряд 6-и дюймовых (150мм) f/8 зеркал имеющих амплитудные (peak-to-valley) коррекционные погрешности в 1, ½, ¼, и 1/10 длины волны. Когда он расположил их в ряд и заставил наблюдателей оценить их, он заметил, что люди не испытывали затруднения выделить лучшую пару, но затруднялись различить зеркало с погрешностью в ¼ длины волны и практически совершенное (Ceravolo и др. 1992).

Основываясь на вычисленном примере, приведенном выше, мы можем размышлять о причинах этой неспособности отличить практически совершенное зеркало от едва приемлемого. Телескопы Ceravolo возможно были менее возмущены разъюстировкой, зажатой оптикой или преградой, чем турбуленцией. Теренс Дикенсон оценивал видимость на 7 из 10 в одном таком сеансе. Когда мы консультируемся с материалом по турбуленции в гл. 7, мы можем оценить, что «видимость» на 7 вызывает аберрацию где-то около 0.10 длины волны RMS. Вспомним, что ¼ длины волны коррекционной погрешности около 0. 075 длин волны RMS. Недостаток различия видимых рабочих характерисик между лучшими зеркалами мог иметь место поскольку уменьшение контраста было в основном из-за плохой видимости. Различие было не легко обнаружить, пока сферическая аберрация не стала достаточно большой по сравнению с шероховатостью волнового фронта вызванной турбуленцией.

Рис. 15-2. Изображения аберраций на рис. 15-1  показываются в порядке прибаления каждой добавочной аберрации.

Рис. 15-3 показывает сфокусированные примеры таких погрешностей коррекции с добавленной аберрацией турбулентнгости (предполагая что другие аберрации не вносят своего вклада). 20%-ная преграда разумна для 150мм f/8 Ньютона.

Поместите этот рисунок на некотором расстоянии от глаз и попытайтесь заметить разницу между рамками изображений в ¼ и 1/10 длины волны. Помните, что турбулентные структуры постоянно меняются. Кривые модуляционной передачи появляются на рис. 15-4. Турбуленция достаточна, чтобы испортить великолепную оптику с зеркалом 1/10-ой длины волны, и она доминирует над коррекционной погрешностью зеркала ¼-ой длины волны. Только зеркала более низкого качества настолько плохи, что сферическая аберрация пересиливает турбуленцию.

15.2 Исправление телескопа.

В отсутствии жесткой информации, люди склонны концентрироваться на одной из заподозенных в телескопе проблем и обвиняют ее во всем. Энтузиасты телескопостроения, например, доходят до экстраординарных фокусных расстояний, чтобы сфигуризовать ультраточные оптические поверхности. Они знают процесс изготовления оптики на заводе, пэтому они видят все погрешности в свете неправильно сформированных поверхностей. Люди, собирающие свои телескопы из ранее сфабрикованных частей, имеют дело исключительно с дизайном телескопа. Некоторые рьяно уменьшают размер центральной преграды. Другие пытаются уменьшить экранирование крестовины или, по меньшей мере, маскируют ее изгибанием растяжек (крыльев, лопастей). Немногие становатся специалистами в тайных уловках отсекания или пытаются запечатывать трубы  своих рефлекоторов стеклами. Многие подозревают свои телескопы в несоответствующей коллимации и фокусируют свое основное внимание на юстировке.

Урок рисунка 15-1 состоит в том, что не существует самой важной оптической проблемы и не может ни одна проблема полностью не приниматься в расчет. Каждая проблема заслуживает соответствующего ответа, с наиболее важным словом соответствующего. Каждая заподозренная погрешность заслуживает некоторого внимания, но никакую ошибку не надо преувеличивать до исключительной среди других.  Кроме того, Ни одна проблема не должна преувеличиваться настолько, чтобы ее исправление вредиило хорошим рабочим характеристикам телескопа.

Кроме того, мы должны подумать о типе наблюдения так же как о погрешностях. Существуют особенные наблюдательные ситуации, где небольшая дифракция крестовины, микрорябь или пятна пыли играют серьзеную роль. В других случаях, они не имеют никакого значения. Имейте дело только с реальными угрозами.

Если вы маскируете ваше зеркало, чтобы убрать заваленный край, потрудитесь также осторожно осечь ваш телескоп. В конце концов, изображению безразличен источник паразитного света. Один из наиболее пренебрегаемых шагов, осторожное отсекание окончательной трубки фокусера, либо серией узких колец, либо нитями. (Один умный изготовитель достиг такого отсекания приспособлением свернутой в кольцо пружины внутри этой трубки).

Рис. 15-3. Модель четырех зеркал Ceravolo, если они  используются в присутствии погрешностей атмосферной турбуленции величиной до 0.1 длины волны среднеквадратичного отклонения. Преграда была произвольно выбрана в 20%. Аберрации вызванные только погрешностями поверхности представлены в левой колонке. Другие колонки содержат примеры рекурсивно полученных турбулентных волновых фронтов добавленных к коррекционным погрешностям.

Рис. 15-4. Кривые МПФ сферической аберрации связанные с вызванной турбуленцией шероховатостью в 0.1 длины волны среднеквадратического отклонения.

Обращайте внимание на каждую вещь видимую изнутри фокусера. Может ли яркая звезда слегка за пределами поля зрения загрязнять изображение внутренними отражениями? Достаточно ли длинна труба вашего Ньютона, чтобы предохранять от удаленных уличных огней, добавляющих диффузное сияние в изображение?

Если каждое из ухудшений, появляющихся на рис. 15-1, урезать вполовину, вы можете получить огромное улучшение узображения. Конечно, юстировка возглавляет список вредителей, но если телескоп отъюстирован, считайте работу завершенной лишь частично. Важен размер вторичного зеркала, но некоторые маленьких размеров предлагаемых в литературе (10%-15% апертуры) могут оказаться слишком требовательными. Уменьшением центральной преграды до 20% или меньше, вы достаточно высоко  вскарабкались по кривой уменьшения выгод. Важно, чтобы вы обращались к каждой проблеме в свою очередь. Если каждое ухудшение МПФ слегка увеличевается, потери могут быть заметны (улов может быть знатным – the net gain can be appreciable?).

Решением для более низкой МПФ, могущим быть очевидными для некоторых читателей и для некоторых кажущимся обманом, следует выбрать больший телескоп. Вспомните, что максимальная пространственная частота (в единицах циклов на угол) – D/l. Отсюда, если рис. 15-1 рисует характеристику 400мм (16-и дюймового) рефлектора, мы можем видеть, что он передает контраст почти так же хорошо, как совершенная неэкранированнаяи апертура от одной трети до половины его размера. Это значит, что его поведение почти так же хорошо, как точнейший 6-и дюймовый телескоп[29]. Фактически 16-и дюймовый рефлектор имеющий только те аберрации, что изображены на рис. 15-1, будет рассматриваться, как великолепный телескоп для своего размера. Поэтому, если нас беспокоят рабочие характеристики маленького телескопа, мы можем принять сходные ухудшения в большей апертуре и все еще быть впереди (Zmek 1993). Использование такого метода парового катка для того, чтобы исправить погрешности может быть грубым, но эффективным. Допустимо все, что создает лучшее изображение.

Многие проблемы, не имеющие ничего общего с системой телескопа или качеством оптики, поражают рабочие характиеристики инструмента. Например, спросите себя, правильно ли вы обращаетесь с очевидными вещами, такими как достижение гладкого функцинонирования фокусера прежде, чем вы начнете рассматривать неочевидные вещи, вроде минимизации преграды.

Некоторые инструменты настолько шатки, что одно касание ручки посылает изображение в дикие циркуляции. Такие телескопы не могут фокусироваться, применяя обыкновенную интуитивную координацию глаз-рука. Другие телескопы достаточно устойчивы, но имеют фокусеры настолько затянутые и жесткие в повороте, что наблюдатель вынужден бороться с ними. Некоторые фокусеры смазаны отчасти тяжелой смазкой, которая застывает на холоде.

Никакие оптические усовершенствования не могут улушить телескоп, который не фокусируется. Не имеет значения, как сильно вы уменьшили центральную преграду, тщательно отъюстировали оптику, или отсекли трубу, изображение несфокусированного телескопа нестандартно. Рис. 15-1 демонстрирует этот прицип двусмысленным образом. Маленькие квадратики, подразумевают показать, как простая дефокусировка подражает собирательной кривой, но предполагаемый смысл состоит в том, что дефокусировки одной достаточно, чтобы разрушить изображение.

Телескопы – это не любительская технология. Серьезные модификации являются вероятно ошибками. Однако осторожная корректировака тут и там, до тех пор пока она не черезмерна, может гарантровать, что ваш телескоп функционирует, настолько хорошо, насколько это возможно. Возможно он будет работать даже лучше, чем вы поверили бы, когда начинали.

15.3. Погрешности на стекле.

Ошибки вполированные в стекло непреходящи. Вещи вроде сферической аберрации, заваленного края, или основанные на астигматизме не могут быть подрегулированы или пройти сами собой как атмосферные эффекты или эффекты охлаждения. Телескоп никогда не сможет работать соответстующе.

Ошибки в стекле требуют трезвого размышления. Скажем, вы недорого приобрели короткофокусный, тонко-зеркальный альтазимутальный рефлектор, «световое ведро» имеющее увеличения от малого до среднего в качестве первичного назначения. Вероятно, вы не сможете ожидать четких дисков Эри и ясно определенных дифракционных колец. Немногие хотели бы заплатить за  время оптика, необходимое, чтобы достичь такого совершенства в большом инструменте, и немногие живущие под неисключительным небом могли бы часто поиметь пользу от такого совершенства. Оптик не может уделить оптической поверхности много частного внимания без траты громадного количества денег на это обслуживание. Время, требуемое на фигуризацию зеркал до предела дифракции, возрастает взрывообразно с апертурой или малым фокальным отношением. Большие и короткофокусные зеркала имеют и то и другое в изобилии. Этот большой телескоп не даст резких как бритва планетных видов, но он, по меньшей мере, должен был бы иметь хорошие рабочие характеристики на объектах, которые на нем подразумевалось наблюдать.

Если вы приобрели телескоп общего назначения, среднего фокального отношения и средней апертуры, как бы то ни было, вы имеете право ожидать разумных рабочих характеристик, в любое время, когда видимость позволяет это. Перед тем как жаловаться изготовителю, проведите с телескопом звездный тест снова, в других условиях. Абсолютно удостоверьтесь, что телескоп отъюстирован, и что погрешность не находится в окуляре. Определите, какой оптический компонент производит погрешность. Если вообще возможно, постарайтесь посмотреть звездный тест на хорошем инструменте до того как начнете судить о том, что телескоп плох. Либо экранируйте инструмент с отклонениями вне осевой маской либо выполните звездный тест на малом или длиннофокусном телескопе, вероятнее всего, дающим близкий к совершенному результат. Не совсем верьте оценкам сферической аберрации собранным в условиях быстро изменяющейся температуры.

Если, на конец всех этих проверок, вы все еще убеждены, что телескоп имеет неприемлемую оптику, свяжитесь с изготовителем. Не тратьте время на обсуждение ваших оптических подозрений, если только вы не совершенно уверены. Телескопостроители могут изьясняться на сбивающем с толку жаргоне не доступном для вас. Если только вы не очень хорошо осведомлены, такая терминология скоро заставит вас задыхаться как рыба на берегу. В вашей жалобе только укажите, что телескоп плох. Ясно и обстоятельно объясните, что инструмент не фокусируется в плотное пятно, и скажите, что вы недовольны продуктом.

Гневаться в ваших делах с телескопостроителями не имеет смысла и может противоречить вашим же интересам.  После телефонных звонков обязательно пишите. Немногие производители сознательно предлагают худо сделанные телескопы. Большинство будут работать с вами до тех пор пока вы не получите удовлетворения.

15.4 Тестирование других телескопов

Однажды вы станете хорошо разбираться в звездном тесте, ничто не удержит вас от оценки любого и каждого инструмента, с которым вы пересечетесь. Такая практика поможет вам натаскать глаз на различные виды аберраций. Раньше или позже, бдительный человек, практикующий звездный тест, увидит каждый вид оптических проблем обсуждаемых в этой книге и несколько необсужденных. Вы поощряемы в этом вашем усилии, расширять опыт.

Однако держите результаты теста при себе. Не в вежливости дело, такие мнения могут быть ошибочными. В основном вы ничего не знаете об истории инструмента. Вы не знаете тплый он или уже остыл. Вы не имели возможности сначала его отъюстировать, поэтому вам необходимо мысленно вычесть значительную погрешность юстировки из структуры образца. Дальше-больше, одноразовые тесты анекдотичны и не учитывают последующего испытания. Помните, вам было сказано тестировать ваш телескоп еще и еще. Что заставляет вас думать, что вы можете оценить чей то чужой телескоп с первого взгляда в окуляр?

Если кто-то спросит вашего мнения, выдайте его с комментарием на счет большой неуверенности. Не представляйте результат как провозглашение с небес. Осторожно объясните как вы получали оценку. Если другие не знают звездного теста, научите их ему. В конце концов, я надеюсь вы поняли сейчас, что звездный тест не столь таинствен.

15.5. Когда все идет правильно

Не хочу оставлять вас с фаталистической интерпретацией звездного теста. Однажды наученные оценивать телескопы, люди склонны быть черезмерно критическими на счет своих инструментов. Ничто не удовлетворяет их. Кажется, что иллюзия реальности была содрана прочь, и с ней способность удивляться.

Вот пример этой потери иллюзии: Годы назад, мне был указан общий недостаток в кинолентах. Как раз перед концом катушки, маркеры в форме пробитых отверстий появляются дважды для помощи киномеханикам. Если пробитые в негативе, отверстия инвертируются в темные пятна. Поскольку филмы сжимаются горизонтально, эти маркеры проявляются как уплощенные овалы, один примерно за 10 секунд и другой как раз перед тем, как катушка заменяется. Второй проектор всегда запускается с точки, где кадр темный или резко меняет яркость.

Я никогда до тех пор не замечал этого крошечного недостатка и никогда не пропускаю его заметить сейчас. Я почти что хочу чтобы мне никогда не рассказывали об этом. Это место, где кости технологии торчат неизменно выталкивает меня из комфортной иллюзии фильма и напоминает мне, что я всего лишь смотрю кино.

Сходно, как только оптические феномены становятся привычны, вы увидите их везде. Очкарики будут не способны ходить в изморось по ночам без того чтобы не заметить интерференционные полосы в преломленной искре света на линзах. Глядя вверх на чистое голубое небо, вы иногда заметите расплывы в глазах окруженные тонкими кольцами дифракции. Вы увидите зловещую роспись хроматической аберрации в каждой радуге.

Я надеюсь, что вы не станете неестественно чувствительными к недостаткам в вашем телескопе. Я знаю индивидуалов владеющих телескопами имеющими отвратительную оптику, однако они постоянно проводят продуктивные и частые сеансы наблюдений. Я знавал и других владельцев жаловавшихся на телескопы, что лишь слегка отстояли от совершенных. Они почти не проводили время под звездами, но всегда регулировали и модифицировали свои голодные до света инструменты.  Кажется, склонность пользователя телескопа это последний фильтр в шаткой этажерке и часто становится наихудшей формой деградации. Звездный тест допускает более совершенные изображения. Он не для того чтобы превратить счастливого наблюдателя в горемыку или испортить славную иллюзию, создаваемую телескопом.

Астрономические телескопы могут выплетать восторгающие изображения, и я послужил бы читателям плохо, если бы оставил их с чувством разочарования портящим магию звездного света. Я хочу описать то, что видел своими собственными глазами, когда все шло правильно, – когда много фильтрации понизилось и оптика была без преград.

Это был один из тех редких разов, когда температура была фактически постоянной весь день. Однажды вечером моя наблюдательная группа установила 16-и дюймовый f/5.6 телескоп Ньютона. Он имел зеркало трех дюймовой тощины, что часто имело проблемы с остыванием, но тот целый день оно имело приблизительно атмосферную температуру. Тот вечер был удивительно устойчив. Это была одна из тех нечастых ночей, когда казалось не существует верхнего предела для максимального увеличения. Мы отъюстировали инструмент и направили его на Юпитер, тогда приблизительно на 45° высоты над горизонтом.

Тень от спутника пересекала диск Юпитера. Она выделялась четкой и различимой на блеске планеты. Серый блеск спутника сам по себе был четко виден когда он проходил по планете. Так много вихрей и зазубренностей было видно на поверхности, что ни часы зарисовок, ни мое ограниченное мастерство не могли бы обрисовать их. Я больше не смотрел в телескоп, я выдвинулся за его пределы. Я пронесся сквозь окуляр.

Я редко встречался с подобными случаями, но и достаточно часто, чтобы сделать все это заслуживающим внимания. Однажды я видел деление Кассини на целиком освещенном кругу колец Сатурна. Креповое кольцо было едва заметно; оно выглядело тонким как паутинка на фоне мрака. В другой раз, при 350 кратном увеличении, я видел шаровое скопление  М15, ясно разрешавшееся сквозь ядро, каждая звезда была видна как крошечная искорка света.

Хотел бы я знать, сколько из миллиардов людей, когда-либо ходивших по земле, видели эти вещи. Я чувствовал себя удачливым и смиренным, что достиг этого сам.

В эти необыкновенные ночи, я не рассматривал телескоп как фильтр. Я верил, что изображения были реальны. И это смысл всего этого труда.  Мы учимся судить о величине оптических погрешностей, чтобы помочь инструменту исполнить свое предназначение. Мы делаем это ради тех коротких моментов, когда мы можем забыть, что мы смотрим сквозь телескоп – когда мы можем почувствовать  тихое величие неба.

{Посмотреть: комкает, мнет заменить на сгибает. Экранирования, диафрагмирования заменить на экранирование. Остановы, ограничители заменить диафрагмами. Вар - смола. Поискать красный, заменить на помаду. Цели, штрих-тесты, шаблоны, линейные, штриховые образцы заменить на штрих-тесты. Другой, иной иначе – в другом такой в остальном сякой. Фонарика заменить на фонарики.Неприемлемый на нежелательный. Сила, мощь – увеличение. Адекватность – соответсвие. Лабораторный тест – заводской тест. Следует за, преследует – соответствует, результирует. В очередь, по очереди, в черед – очередность. Сеть, сетевая выручка – улов, потери вызванные фильтрацией. Baffling – отсекание. Было  не чего делать, ничего не оставалось делать – не иметь ничего общего. Лабораторный тест – стендовое испытание. Вторичность – вторичное зеркало. RMS, реднеквадратичность – среднеквадратическая погрешность. Видение – видимость. Диагональная тень – тень диагонали.Вариация – изменение. Препятствие, преграда – преграда.}