Глава 2

Глава 2

Краткий справочник по звездному тесту

2.1. Некоторое необходимое предисловие

Вы будете нуждаться в окуляре большого усиления, чтобы провести звездный тест успешно. Точная мощность изменяется от телескопа до телескопа и зависит от того, какое оборудование используется, но она равна приблизительно 10 на сантиметр апертуры. Для 20 см f/10 Шмидт-Кассегреновского телескопа, усиление должно равняться 20 x 10 = 200. Так как фокусное расстояние такого прибора - 2 метра, фокусное расстояние окуляра должно быть около 10 мм. Более короткофокусные широкоугольные телескопы (RFTs) , оцениваются не в той же степени точности как планетные телескопы, так что Вы можете возможно немного уступить в мощности окуляра. Это же касается и крупных инструментов. Фактически, Вы можете быть вынуждены идти на компромисс, потому что соответствующие окуляры для таких телескопов обычно не доступны.

Вы должны выставить ваш телескоп так, чтобы он не выглядывал на близлежащие шоссе или крыши домов, потому что они сохраняют теплоту за день и медленно выпускают ее ночью. Отдельные этапы звездного теста могут быть выполнены, при наличии маленького количества турбулентности, но лучше избежать дополнительных источников аберрации если это возможно. Вы должны также предоставить вашему телескопу достаточно времени между установкой и звездным тестом с тем, чтобы он мог приблизиться к температуре окружающего воздуха. Прибор не требуется направлять к участку с темным небом поскольку источник теста - довольно яркая звезда.

Испытанию неизмеримо помогает хорошо отъюстированный прибор. Если возможно, выверите положение оптической оси вашего телескопа перед его испытанием. Один из разделов ниже покажет Вам, как распознать серьезную разъюстрировку, но далее испытание следует временно приостановить, если телескоп не выровнен, по крайней мере грубо (см. Главу 6).

Ненужно ждать полной темноты, но Вы просто должны быть способны найти звезду. Лучшая звезда для телескопов 4-6 дюймов около второй звездной величины, но Большие приборы требуют соответственно менее ярких звезд. Крошечные рефракторы могут требовать звезду первой величины. Дневные испытания могут также быть выполнены, при использовании блеска Солнца, отраженного в гладко сферическом елочном украшении. Поместите его на расстоянии 60-300 метров [5] по траектории над травой. Попытайтесь подвесить шарик так, чтобы он смотрелся против гладкого фона.

Если Вы носите очки, оставьте их на глазах. Это предупреждение должно касаться лишь людей страдающих от астигматизма, но перефокусировка при сильной коррекции, обычно обрабатываемой стеклами, может вынуждать окуляр прибавлять аномальную аберрацию. Достаточно легко предотвратить этот дополнительный источник погрешности. Кроме того, Вы должны осмотреть только центр поля зрения.

Наиболее эффективная форма звездного теста требует, чтобы Вы знали, насколько далеко Вы расфокусировали изображение. Эта деталь будет объясняться в Главе 5, но остальная часть главы представит Вам большинство форм оптических проблем.

Наконец, прежде, чем Вы начинаете оценивать ваш прибор, решите что Вы реалистично от него ожидаете. Имеет ли он низкое фокальное отношение для такого типа прибора? Ньютонов телескоп f/5 или ниже идет на компромисс оптического качества с физическим размером. Он не должен оцениваться по тем же критериям как Ньютоново зеркало с фокальным отношением f/8. Точно так наиболее широкоугольный ахромат-рефрактор с фокальным отношением f/5 не должен подводиться под те же самые резкие допуски как очевидный лунно-планетный рефрактор.

2.2 Оптические проблемы по порядку.

Звездный тест может использоваться с любым телескопом, если Вы имеете в виду только один из принципов, обсужденных в прошлой главе: Если оптика точна, расфокусированные изображения - довольно однородно-освещенные диски. Они выглядят одинаковыми на подобных расстояниях как внутри, так и снаружи фокуса.

Первая процедура, которую следует пробовать, называется «установочным» (snap) тестом. Часто, эта сырая оценка достаточна, чтобы судить насколько плох телескоп. При использовании высокого усиления, шевелите фокусировочный винт (фокусер) назад и вперед до лучшего фокуса. Хорошие телескопы зафиксируются в четком фокусе быстро. Плохие телескопы предложат диапазон одинаково приемлемых положений фокуса, ни один из которых не будет достаточно хорош. Вы будете сомневаться относительно, того где точно остановить вашу руку (Suiter 1990).

Не осудите прибор слишком быстро на основе неверного выполнения «установочного» (snap) теста однако. Этот быстрый метод имеет несколько практических трудностей. Часто, прибор не твердо установлен, и трудно сказать об состоянии изображения, в то время как рука рыская фокусером колеблет телескоп.

Кроме того, некоторые наблюдатели имеют глаза, которые способны приспособляться к большим изменениям фокуса. Фокусировка Глаза не всегда находится под сознательным управлением. Поскольку фокус приближаются, глаз запирается, и внутренний механизм фокусировки ниспровергает тест.

Точная круговая апертура имеет только один вид для дифракционного диска в каждом расфокусированном значении. Все модификации этого образца представляют различные уровни оптических проблем. Такие трудности существуют в трех общих категориях:

1. Основные Характеристики оптической системы, типа

(a) Вторичное зеркало или диагональное препятствие в оптическом пути,

(b) крылья крестовины перед зеркалом или препятствия зажима зеркала,

(d) изменения цвета в линзах рефрактора.

2. Приходящие или ремонтопригодные проблемы, типа

(a) Разъюстировка или неправильные наклоны оптических элементов,

(b) атмосферные влияния турбулентности,

(d) необычная деформация напряжения оптических элементов (зажимание или ослабевание тонких зеркал),

(e) пыль или грязь на зеркале или линзах.

3. Ошибки на стекле, типа:

(a) сферическая аберрация (отказ фронта волны, соответствовать сфере),

(b) шероховатые оптические поверхности (порождение света, который рассеивается от центрального пятна),

(d) хроматическая аберрация (неисправленные цветовые ошибки),

(e) астигматизм (неравномерное протяжение изображения по оси).

Некоторые из этих погрешностей обсуждены кратко ниже, и другие оставлены для главной части книги. Что вы должны иметь ввиду так это надлежащий порядок рассмотрения оптических погрешностей. Вы должны научиться распознавать характеристики образцов внефокусных изображений звезд что являются следствием выбора вашей оптической системы (категория 1. сверху). Например нет никаких возможностей избавиться от преграды в простых рефлекторах так что вы должны ожидать появления тени во внефокусном изображении звезды.

Затем вы должны изучить стратегии которые ведут к минимальной интерференции от временных или от исправимых трудностей категории 2. Вы не сможете сделать правильную проверку легкого астигматизма если ваш телескоп безнадежно разъюстирован. Если вы возьмете теплый телескоп из дома в холодную внешнюю среду, изображения будут танцевать и крутиться. Ваша труба часто проводит тепло от зеркала вызывая растяжение характеристик потоков в трубе. Часто ваша оптика жестко закреплена в оправах и искажающие причины от этих сдавлений маскируют истинные оптические погрешности находящееся в стекле. Наконец вы должны определить позволяют ли атмосферные условия сделать правильно тест. Если звездный тест менее чувствителен к турбуленции чем к оценке разрешения двойных звезд луче его производить при спокойном небе.

Как только вы определили что ошибки категории 2. достаточно малы, вы можете продолжать рассматривать погрешности в форме стекла. Эти ошибки являются наиболее слабо контролируемыми потому что невозможно что либо сделать с ними, за исключением переконфигурации оптики. Даже в этом случае важен порядок. Вам следует рассмотреть сферическую аберрацию прежде всего потому-то это наиболее обыкновенный дефект.

Наконец вам следует расфокусировывать изображение слишком далеко. Если вы это сделаете вы не найдете дефектов. Если вы испытываете длиннофокусный f/4 Ньютон, вероятно вы увидите большинство из этих дефектов лучше всего сдвигая окуляр менее чем на 1/30 дюйма (0.85 мм). Если вы проверяете короткофокусный Шмидт-Кассегрен f/10 та же последовательность изображений становится видимой при перемещении окуляра на расстояние 1/5 дюйма (около 5мм.). Эти значения взяты из табл. 5-1.

2.2.1 Экранирование вторичным зеркалом

Образец внутреннего фокуса выглядит тем же самым даже для инструмента с преградами. Хотя присутствие диагонального или вторичного зеркала снижает качество оптики лишь немного, появление свободного от аберраций изображения на обеих сторонах фокуса выглядит таким же как и для хорошей оптики. Такая же ситуация рассчитана на рис. 1-4 - а для 33% преграды изображена на рис. 2-1.

Эта диаграмма показывает большое количество интересных особенностей, немногие из которых являются ложными погрешностями от препятствия. Эта протяженная тень диагонали кажется заполняет около 40% структуры, не только центральную треть. Мы еще близки к фокусу и лучевое приближение (которое предсказывает размер тени = 33%) все еще не совсем верно. При меньших расстояниях от фокуса это поведение даже странно.

Второе отличие от беспрепятственного поведения - шероховатость этой структуры. Мы заменили узор свободного от препятствий образца на нетонкий вариант вызванный вторичным зеркалом.

Рис. 2-1. Центральная преграда. Слева: сфокусированное изображение 33%-о экранированной оптики. Справа: 33%-о экранированная оптика дефокусированная на ту же величину, что и на рис. 1-4. Здесь так же, за исключением преграды, оптика так же совершенна.

Только два широких ярких кольца показаны в освещенной области вне тени от вторичного зеркала. Меньшие отклонения в интенсивности отмечаются по всему диску. Единственное различие между этими двумя расчетами является присутствие вторичного зеркала. Как может такое незначительное препятствие - только 1/9 поверхности рассматриваемомой области - может иметь столь глубокий эффект. Прежде всего это в действительности не может вызвать большого различия. Эти отклонения чрезвычайно тонки и они почти ничем не уничтожаются (как в смешивании цветов в белом свете). За исключением меньшей яркости и тени в центре этот диск весьма однороден и он так же идентичен с обеих сторон фокуса. С целью расчетов дифракции мы можем предполагать что эта тень является миниатюрной апертурой за исключением фазы с наибольшим открытием (так называемый принцип Бабинетт – Хейхта 1987). Это крошечное препятствие имеет намного большую дифракционную структуру, так же как если бы телескоп был экранирован до размера вторичного зеркала. Но помните оно внедрено как мельчайшая поправка к большей структуре окружающей его. Так дифракционная структура этой маленькой тени невидима как отчетливый объект, но она вызывает довольно грубые изменения способные разрушить тонкие изменения, видимые в расфокусированном диске неэкранированного отверстия (см. Рис. 1-4 или 1-5).

Другой отличительной чертой на рис. 2-1 является маленькое яркое пятно лежащее около центра расфокусированном тени. Довольно интересно, что наблюдение такого пятна является частью экспериментального подтверждения волновой теории света. Когда Френель впервые представил свои работы по волновой теории, французской академии в 1818 году одним из слушателей был Пуассон, яростный противник описания света как волны (он был сторонником корпускулярной теории света). Он использовал новую теорию дифракции Френеля чтобы показать что яркое пятно может появиться в некоторых местах в тени от круговой диафрагмы. Пуассон думал что это смешное заключение представит световые волны как нонсенс раз и на всегда. Представьте его разочарование когда это пятно было затем вскоре обнаружено. В действительности оно было открыто задолго до этого и это сообщение ускользнуло от внимания теоретиков – оптиков. Это маленькое яркое пятнышко до сих пор называется пятном Пуассона.

Это появляющееся здесь пятно является композитом (смесью) центрального пятна ожидаемого от полного отверстия и от внутренней отрицательной апертуры, но пятно Пуассона доступно наблюдению даже без использования внешней апертуры, только при тщательно обрисованной круговой тени в луче света рассеивающегося от точечного отверстия.

Рис. 2-2. Разъюстировка. Серьезно разъюстированный рефлектор с 30%-ой преградой вторичного зеркала. Слева сфокусированное изображение, слева то же изображение дефокусирование. У увеличение сфокусированного изображения в 6 раз больше нефокусного.

2.2.2. Разъюстировка.

Разъюстировка может быть обнаружена при Звездном тесте. В действительности прежде чем тестирование может быть продолжено, оптика должна быть тщательно выверена относительно положения оси главного зеркала (коллимации). Эта процедура описана более подробно в дальнейшем, но рисунок 2-2 демонстрирует типично разъюстированный телескоп Ньютона. Область хорошего изображения может находиться вне ограничителя поля зрения окуляра большого увеличения в разъюстированном телескопе. Отклонения вызванные разъюстировкой могут быть просто исправлены. Так что вы не должны встречать их появление чувством страха. Ничего не делать в этом случае неверно. Такие отклонения исчезнут в центре поля посредством соответствующей настройки. Сфокусированное изображение имеет небольшой астигматизм, но главным образом показывает эффекты комы. Слово кома происходит от латинского означая волос и является коренным словом известного астрономического термина комета. Кома если серьезно растягивает изображение в структуры подобные двум крыльям.

2.2.3 Атмосферное движение и турбуленция.

Другое нарушающее изображение отклонение вызвано прохождением волнового фронта через многочисленные атмосферные завихрения, занимающие длинный цилиндр воздуха перед инструментом. Этот цилиндр воздуха всегда является частью связанной с землей оптической системы. Рефракция, вызываемая воздухом очень мала, но она существует. Она меняется с температурой и давлением.

Горячий воздух легче, чем холодный, а способность воздуха преломлять свет возрастает с его плотностью. Различие плотности происходит также в фундаментальной нестабильности атмосферы. Солнечный свет нагревает поверхность, оставляя немного энергии в некотором частном объеме воздуха при своем прохождении в атмосфере. Горячая поверхность нагревает воздух над ней и более теплый воздух становится менее плотным. Холодный воздух над ним опускается и теплый воздух поднимается чтобы запомнить тот же объем что холодный, образуя температурный вихрь. В то же время уменьшение давления охлаждает поднимающийся теплый воздух и опускающийся холодный воздух нагревается в противоположность. Эти два объема воздуха меняются местами. Поверхность теперь слегка холоднее и оба объема воздуха слегка теплее. Наверное, верхний объем воздуха станет нестабильным относительно объема воздуха расположенного над ним. Недостаточность этого процесса делает разницу в температурах этих двух слоев менее глубокой и без дальнейшего нагревания поверхности процесс остановится как старые часы. Это движение воздуха является невидимой циклической тепловой машиной, транспортирующей тепловую энергию от горячей поверхности к расположенной выше более холодной атмосфере. Энергия солнечного света просачивается вверх благодаря конвекции через своеобразный котел воздуха.

В течение дневного времени это нагревание продолжается. Конвекционные линзы продолжают существовать и иногда растут. Под влиянием свойства воды эффективно передавать тепло и используя тень производимую облаками конвекционные структуры могут разрастаться до колоссальных размеров даже до размеров термальных потоков используемых парящими птицами. Они могут возрастать до летних полуденных гроз. На краях крупных конвективных структур имеются мелкие субструктуры, а на их краях еще более мелкие, до тех пор пока вихри исчезают в бурлящих завихрениях на микроскопических уровнях.

Неудивительно, что наблюдения солнца обычно лучше проводить по утрам, пока поверхность слишком не нагрелась. Тестирование в дневное время при использовании солнца в отражающей сфере лучше делается в очень ранние утренние часы.

Итак турбуленция сильна где либо поблизости от облаков, поскольку облака являются флагом указывающим одну из этих тепловых машин в действии. Однако нас касается по большей части ночное время. Без солнечного света чтобы поддерживать процесс, конвекция должна опираться на остаточное тепло поверхности или течение в атмосфере вызванное массами воздуха с различной температурой. В течение некоторого времени ясной ночью поверхность охлаждается вследствие теплового излучения так что имеет температуру более низкую чем воздух над ней. Поскольку холодный воздух плотнее теплого этот результат является более устойчивым. Конвективные линзы ясной ночью менее видны. Через отверстия близкие к точечным такие как глаз человека этот эффект виден как легкое рассеивание и сгущение света – мерцание звезд. Через большие отверстия такие как телескоп этот эффект редко проявляется как изменение в яркости. В малых телескопах изображение дрожит в больших инструментах изображение фиксировано но смазывается.

Изображения в расфокусированных звездных тестах таких линз выглядят как ничто другое как дрожание солнечных зайчиков на дне плавательного бассейна. Гонимые ветрами на большой высоте они проносятся поперек апертуры.

сфокусировано расфокусировано расфокусировано (позже)

Рис. 2-3 Турбуленция воздуха. Застывший момент турбулентного изображения показан на сфокусированном образце (слева) и расфокусированном (в центре). Задержка только на момент может быть проиллюстрирована образцом справа. Сфокусированное изображение увеличено в пять раз по сравнению с расфокусированными.

Рисунок 2-3 показывает моментальный снимок такого огрубленного дифракционного диска. Присмотритесь особенно к сфокусированному изображению. Дифракционная структура меняется так быстро что подобные явления часто не наблюдаемы непосредственно. По меньшей мере вы можете проследить изменения в образце из наружного фокуса как тени быстро проносятся поперек передней части телескопа. Наиболее видимые изменения в сфокусированном образце это угол под которым появляются осколки света.

2.2.4 Потоки в трубе.

Так же другой атмосферный эффект касается пользователя телескопа. Малые телескопы часто выносятся из теплого дома на холодный внешний воздух. В эти дни они часто перевозятся к местам с темным небом в теплых автомобилях на значительные расстояния прежде чем быть смонтированными для наблюдения. Даже постоянно смонтированные обсерваторские инструменты редко сохраняются при температуре точно соответствующей наружной при которой они будут использоваться. Как следствие части монтажного оборудования и особенно заметно сами зеркала будут охлаждаться.

Стекло имеет высокую теплоемкость и к тому же низкую теплопроводность. Другими словами стеклянная оптика имеет одновременно большое количество тепла которое она сохраняет так и склонность удерживать его в себе в течение долгого времени. Большие сплошные зеркала требуют целых часов для охлаждения. Воздушная конвекция ответственна перенос большой части энергии. В присутствии гравитации нагретый воздух высокотемпературными поверхностями в трубе замещается опускающимся холодным воздухом в рефлекторах с открытой трубой которые наклонены под неким углом результатом является течение показанное на рис. 2-4. Другие охлаждающие эффекты видны на закрытых рефлекторах и даже рефракторах, но они не могут принять в точности такую форму.

внутри фокуса сфокусирован снаружи фокуса

Рис. 2-4. Потоки в трубе. Обычный вид потока в трубе представлен как сжатая и выпяченная доля на одной стороне диска и выглядит утолщенной на другой. Изображение сфокусированного изображения увеличено в 6 раз.

Нагретый воздух существует в трубе как в дымоходе. Обычно он предпочитает верхнюю часть трубы если она выведена наружу. Так как свет проходит более быстро через менее плотный теплый воздух волновой фронт там заворачивается как страница когда ее переворачивают. Под определенными углами сфокусированное изображение напоминает Луну садящуюся в спокойное море. Посе охлаждения телескопа эти эффекты пропадают.

2.2.5. Зажатая или деформированная оптика.

Особенно обычны при через чур затянутых оправах рефлекторов или тонких зеркалах изгибающихся под их собственным весом, отклонения которые имеют вид изображенный на рис. 2-5. Элементы этой деформации будут изменять внефокальный образец. Эта деформация зависит от того туго ли затянут зажим, сколько опорных точек держат зеркало, и в случае если оптика опирается на или на край или на дно. Она будет изменяться при разных положениях телескопа. В фокусе особенно деформация смоделированная здесь имеет результатом структуру в виде трехсторонних «спик».

2.2.6. Сферическая аберрация.

Если абразив расположен между двумя дисками стекла и они трутся друг о друга с выдержанной ориентацией и длиной хода довольно редко, что можно ожидать? В конце тысяч подобных трущих движений часть из двух сфер должна получиться - одна вогнутой другая выпуклой. Сферы (или более точно сферические чаши) легко сделать. По меньшей мере в сравнении с другими трехмерными поверхностями. К сожалению сферы не могут быть изображены совершенно точно. Если полусферический рефлектор или сферическая линза легко воображаются - не трудно понять почему. Скажем так лучи света падают на такую поверхность как на рис. 2-6. Если точка падения отклоняется от центра в центр прямого удара, фокус блуждает от единственной точки. Ясно это отклонение является вечно присутствующей опасностью. Механизмы, которые развиты чтобы исправить эту проблему – очаровательны, поскольку они показывают существенную разницу между рефракторами и рефлекторами. Они являются двумя почти разделенными линиями развития. В случае с рефракторами сферическая линза была сохранена и очищена. В рефракторах оптические поверхности могут быть расположены плотно друг к другу не соприкасаясь (?). Более совершенные оптические системы могут быть разработаны с оптимальным соотношением между кривизной и расстоянием близко расположенных элементов. Первым оптическим изобретателем систематически пытавшимся победить аберрации был Иозеф Фраунгофер. Его мастерски исполненный инструмент – большой гертский ахроматический рефрактор был скорректирован не только для сферических и хроматических аберраций но и вне осевой комы кроме того. Этот инструмент стал образцом для инструментов в 1800х годах в той же мере что и телескопы Хедли были основной моделью 1700х. Фраунгофер выполнил эту задачу с помощью сферических поверхностей с малым количеством ретуширования и умным дизайном. Вариации фраунгоферовских атмосферных двухэлементных двойных рефракторов продаются и по сей день и до сих пор дают выдающиеся изображения. Телескопы рефлекторы пошли по другому пути. Если вы разместите линзу очень близко к зеркалу свет пересекает ее дважды что может быть а может и не быть полезным. Телескопы с задней поверхностью - зеркалом были спроектированы (действительно один из них был предложен самим Ньютоном в его «Оптике»), но они были обыкновенно спец. инструментами которые представляли некоторую трудность в конструировании. Все сферические рефлекторы не являются невозможными но они должны ожидать изощренного смешанного применения линзово-зеркальных систем. Таких как телескоп Максутова. Изготовители рефлекторов довольно рано повернулись к асферической оптике.

сфокусировано расфокусировано

Рис. 2-5. Деформированная оптика. Трехдольный образец который возникает вследствие излишне затянутых креплений зеркала или же тонкого зеркала которое неадекватно закреплено. Слева: сфокусированный образец. Справа: изображение слегка дефокусированного диска. Сфокусированный образец увеличен в 2.5 раза.

а) б)

Рис. 2-6. Сферические аберрации в рефлекторах (а) и рефракторах (б).

Асферическая поверхность для однозеркального астрономического телескопа есть парабола которая вращается вокруг своей оси как волчок. Трехмерная поверхность называется параболоид. К несчастью параболоидальную поверхность не удается выполнить напрямую. Изготовитель должен придерживаться более менее статистического процесса при котором сперва формируется сфера и далее изменяется (посредством давления, специального хода шлифовальника или мелких инструментов), с тем чтобы преобразовать поверхность до параболоида. Двухзеркальные системы можно разрабатывать так что в них возможно использование самых разных типов зеркал от гиперболоидов до сплющенных сфероидов.

Изготовление сферических зеркал требует безупречного тестирования оборудования (станков) и знания материалов и методов обработки. Как можно предположить некоторые изготовители телескопов более добросовестны в подобных операциях чем другие. Смола которая используется для полировки и формирования поверхности является одним из самых капризных материалов используемых в процессе обработки. Изготовление зеркал может идти не так как надо если смола используется абы как.

В моем опыте проверки приблизительно ста номинальных параболоидов около половины коммерческих зеркал являются крайне недоисправленными до требуемой формы. Они имеют поверхность что-то между сферой и параболоидом едва едва в пределах допустимого или слегка вне этих пределов. Четверть этих зеркал грубо недоисправлены и примерно четверть имеют форму в приемлемых пределах. Большинство из недоисправленных зеркал являются короткофокусными зеркалами, между f/4 и f/6. Почти все параболоиды от f/6 до f/8 имеют адекватную форму. Я видел немного переисправленных коммерческих Ньютоновских зеркал – хотя многие произведенные любителями зеркала представляются именно такими.

Для искушенных оптиков изготовление параболоидов не представляет трудности. Поскольку почти все зеркала Ньютоновских телескопов представляются недоисправленными, изготовители по-видимому тратят как можно меньше времени на каждое зеркало. Такая практика может быть объяснена но (не оправдана) низкими современными ценами на потребительском рынке. Изготовители пытаются придавать зеркалам форму на крайнем пределе допустимого, минимизируя время и стоимость. Неумолимые статистические данные говорят что многие подобные зеркала имеют неприемлемое качество.

Мы видим поведение сферической аберрации на рис. 2-7 (недоисправленное, 25% экранированная апертура). Внутри точки фокуса большая часть освещенности сконцентрирована пучком в наружном кольце. Вне точки фокуса, она смещена в центр туманного пятна. Это признак недоисправления. Запомните эти примеры. Если у вас есть возможность проверить Ньютон, вы снова и снова будете наблюдать недоисправления. Это довольно обычно и в других типах телескопов. Сферическая аберрация наверно является единственной несмешанной с другими погрешность стекла, которую вы можете наблюдать в чистом виде. Все остальные погрешности обычно накладываются друг на друга.

Некоторые люди могут посчитать безапелляционный тон этих комментариев как приговор ньютоновским рефлекторам. Я ничего подобного не имею в виду. Те наилучшие телескопы которые я когда- либо видел – и это включая рефракторы! – являются изысканными ньютонами. Четкие изображения звезд полученные безупречно изготовленными и отъюстованными параболоидами являются прекраснейшим зрелищем. И это позор что многие из них не выполняют всех своих функций.

2.2.7 Шероховатые поверхности.

Другая обычная аберрация имеющиеся в телескопах это результат шероховатости поверхности. Она возникает вследствие применения быстрых полирующих материалов и поддержания недостаточного контакта между притиром и поверхностью, которую обрабатывают.

Рис. 2-7. Сферическая аберрация. Проявление сферической аберрации на звездном тесте в форме недоисправленности. Слева: внутри фокуса, наибольшая часть света собирается в сильном внешнем кольце, оставляя центр тусклым. В середине: снаружи фокуса, свет сдвинут к центру окруженному призрачной внешней нечеткостью. Справа: проявление 25%-о экранированной апертуры если она не имеет сферической аберрации.

Полировка это удивительный и деликатный процесс. Незаметные включения на поверхности притира. Могут изменить условия контакта между инструментом и оптикой. Если поверхность полируется вручную, изготовитель может чувствовать как инструмент захватывает и толкает и толкает почти как живое существо. Люди изготавливающие зеркала вручную непосредственно чувствуют что что-то не так и они могут смочить притир (шлифовальник) полирующим составом и усилить давление до тех пор пока контакт не будет достигнут вновь. Как простое следствие экономики – лишь немного оптики может быть изготовлено вручную. Зеркало телескопа стоимостью 300$ вероятно требует у оптика что-то 2-4 часа времени. Такая работа может быть проведена быстро с помощью машин или стоимость зеркал телескопа будет быстро перерастет возможности потребителя. Когда притир начинает захватывать стекло, то машина не замечает этого и не придает тому никакого значения. У нее достаточно силы чтобы крутиться игнорируя визгливые жалобы притира. Если оптик не в состоянии выработать устойчивый процесс обработки чтобы избежать таких неприятностей, то единственным возможным следствием является шероховатая поверхность.

Рис. 2-8 представляет пример поведения света в дифракционной структуре вызванной крайне грубой (шероховатой) поверхностью. Эти структуры если вы расположение страницу на достаточном расстоянии от себя демонстрируют спиковый эффект. «Спики» могут быть отличены от неровностей вызываемых в атмосфере по их неподвижности. Атмосферная турбуленция находится в движении и изменении. Вследствие этого эти спики возникают то с одной стороны изображения то с другой. Шероховатые поверхности, однако, безжизненно неподвижны. Тем не менее, небо обычно недостаточно устойчиво для проверки этой проблемы с помощью звезды; более часто эта погрешность из тех, которую лучше оставить для связанного с землей искусственного точечного источника.

Рис. 2-8. Шероховатость. Небольшое количество шероховатости на поверхности. Слева: сфокусированное изображение. В середине: расфокусированное изображение шероховатой поверхности. Справа: гладкое дефокусированное изображение.

2.2.8. Зональные аберрации

Часть того, что делает успешную оптическую поверхность – эффект статистического усреднения. Одна из наиболее парадоксальных особенностей оптической работы состоит в том, что наилучшие поверхности получаются в результате внешне неряшливой работы. Это, однако, не касается необходимости тщательно очерчивать границы.

Машины более предсказуемы. Оператор должен произвести настройку, чтобы добавить псевдослучайный момент в проглаживание. Если в машину вкладывается недостаточно искусственных изменений траектории движения, она будет склонна прокапывать циркулярные канавки или создавать волнообразные деформации, называемые зональными эффектами, на оптической поверхности. Зоны могут также возникать в результате использования маленьких полировальников на больших оптических поверхностях. Употребление маленьких полировальников без достаточно равномерного распределения движения по всей поверхности стекла может вызывать зоны как при ручном так и механизированном производстве оптики. См. рис. 2-9.

Рис. 2-9. Зональный дефект. Зональная аберрация в открытой апертуре, вызываемая бороздой на 60%-ом радиусе диска. Далеко перед фокусом, зона проявляется как яркое кольцо на однородном диске, а за фокусом это кольцо становится темным. Справа представлен безаберрационный образец.

В маленькой оптике зональные дефекты обычны у центра. Они проявляются в виде зубца или выгиба (фотография на рис. А-3 в прил. А является примером). Зоны у центра менее вредны, чем зоны проявляющиеся на других радиусах. В диафрагмированных вторичным зеркалом рефлекторах они скрываются его тенью и представляют меньший ущерб. Даже если они и проявляются, дефекты у центра занимают не такую уж и большую площадь поверхности.

2.2.9. Заваленный край

Заваленный край – дефект, где край завершается не резко, а закругляется постепенно. Этот особенный случай зональной аберрации наносит изображению удивительно много вреда поскольку край апертуры занимает большую часть всей площади поверхности. Он отклоняет больше света.

Заваленный край происходит либо от использования слишком мягкой полировочной смолы либо от применения неправильного нажима, когда оптическая поверхность заходит за край полировальника (Texereu 1984). Случись такое, устранить последствия особенно трудно, и страх этого заставляет производителей телескопов применять чрезвычайно твердые смолы. Иные добавляют примеси меняющие текучее свойство смолы. Неэластичная или вощеная смола зачастую усугубляет проблему шероховатости поверхности, однако, таким образом получающийся сетчатый эффект лишь плата за отсутствие другого пагубного искажения.

В другом совершенном рефлекторе, заваленный край проявляется как смягчение концентрической структуры перед (внутри) фокусом и соответствующим ожесточением колец в зафокальной области. Чтобы избежать неразберихи используйте плотный цветной фильтр. Рис. 2-10 демонстрирует две 25%-ых апертуры, одну нормальную и другую с заваленным краем. Свет, отклоненный заваленным краем, проявляется туманным свечением вблизи изображения перед фокусом (уберите фильтр, если хотите поискать это гало). По обеим сторонам фокуса узкий заваленный край показывает вполне равномерное распределение света по диску.

Рис. 2-10. Заваленный край. Заваленный край в 25%-о диафрагмированной апертуре. Безаберрационная 25%-ая апертура показана слева. Предфокальный диск имеет меньший контраст и диффузное сияние окружающее его. Зафокальный диск кажется менее страдает в выражении распределения света, но контраст в кольцах увеличивается.

2.2.10 Астигматизм

Чистый астигматизм может присутствовать даже в совершенных телескопах (особенно рефракторах) если система отъюстирована неверно. Средство от этого простое, и аберрация быстро исчезает стоит только провести коллимацию. Астигматизм присутствует также в Ньютоновских телескопах, имеющих изогнутые вторичные зеркала. Из-за 45°-ного наклона предположительно ровного зеркала, выпирающая или западающая диагональ выразится астигматизмом в изображении.

Астигматизм самого стекла вызывается тремя огрехами в производстве. Он может проистекать от давления диска на цилиндрическую поверхность во время шлифовки, к примеру, задняя поверхность стекла может быть неровной. Другая причина слишком быстрое остывание стеклянного диска во время поливки, закрепляющее монотонные напряжения в диске. Эта ошибка едва ли когда-либо видна в осмотрительно сделанных оптических дисках, но вполне общая в центральных отверстиях или других неописанных стеклах. И наконец, невозможность вращения оптического диска, из-за чего инструмент втирает цилиндр непосредственно в диск.

Во всех случаях внефокусные астигматические изображения демонстрируют два овальных образа под 90° друг к другу (см. рис. 2-11). Если астигматизм серьезен, некоторые фокусные положения будут передавать звездные изображения в виде прямых линий.

Рис. 2-11. Астигматизм. Проявление астигматизма непосредственно с каждой стороны фокуса. В середине: наилучший фокус, изображение в виде креста. Вне фокуса, вид растягивается в овал, с направлением растяжения изменяющимся на четверть поворота на противоположных сторонах фокуса.

В наилучшем фокусе, астигматизм предстает крестообразной структурой. Некоторые намеки на первое дифракционное кольцо видны вдоль направлений креста.

2.3. Заключительные замечания.

Эта глава подразумевалась лишь как короткий обзор обширного круга вопросов, который может быть разобран в звездном тесте. Не путать это короткое знакомство с действительным знанием и опытом. Огромность и сложность звездного теста поражают. Вы продолжите изучать новые особенности звездного теста в течение многих лет.

Размер предшествующих частей – мера важности придаваемой им как оптическим проблемам. Если одна тема может рекомендоваться для изучения – это сферическая аберрация, т.е., простая коррекционная погрешность.