Глава 8.

Зажатая и деформированная оптика.

В начале каждой наблюдательной сессии вам следует проводить звездный тест на условия, что могут меняться в связи с транспортировкой телескопа или сборкой оптики после ухода за ней. Данная глава обсуждает характеристики образцов звездного теста некоторого такого повреждения и представляет способы облегчения необычных давлений на оптике. Помимо улучшений изображения зависящих от тщательного внимания к деформациям, вы сможете избежать катастрофических повреждений. Среди зеркал наиболее общим бывает наличие сколотых краев из-за слишком плотно затянутых застежек-держателей. Я видел зеркало сдавленное столь сильно, что оно разбилось напополам.

8.1. Причины

Вообразите зеркало или объектив как плотный круглый кусок желатина. Поскольку мы обыкновенно не замечаем крошечных деформаций, мы думаем о некоторых материалах как о твердых, но все объекты искажаются под действием давления и температуры. Объект выглядящий твердым если смотреть невооруженным взглядом, становится мягким и гибким, когда мы наблюдаем его деформации сравнимые по размерам с длиной световой волны. Оптика тверда только в макроскопическом смысле. Если мы расположим наш желатин на трех поддерживающих точках, форма искажения поверхности становится сложной функцией толщины плиты и расположения этих трех опор. Проблема оказывается даже еще более сложной, если мы наклоним желатин; различные опоры несут неравную порцию веса. Ясно, края перекашиваются между поддерживающими точками.

Опоры снизу могут быть расположены возле краев, заставляя перекашиваться центр, или вблизи центра заставляя изгибаться края. Они могут быть расположены на 70% радиуса, что причиняет наименьшие деформации, но, тем не менее, все равно одной сложностью больше. Мы можем разбить каждую опору на три или даже шесть частей, но что получим в обмен? Это то, что отвечает лишь за платформу. А как же насчет краев? Если мы вворачиваем краевые поддержки слишком туго, поверхность сдавливается вокруг этих трех поддерживающих позиций. Зажимы могли бы быть должным образом откорректированы, но когда телескоп переворачивается, один зажим может быть вынужден создавать необычное давление из-за веса плиты. Прикрепление края решается множеством способов, в пределах от изящно простого метода висячих скоб, используемого в монтировках Добсона, до ртутного держателя края (?), используемого в некоторых больших экваториальных рефлекторах.

Механический дизайн телескопов находится далеко вне контекста этой работы, однако. Только один пример поверхностной деформации будет представлен. Поверхностные деформации создают бесконечное разнообразие образцов структур звездного теста, ни один из которых не походит на другие. Они могут разделять некоторые из нижеперечисленных характеристик:

1. Они могут быть отличены от турбуленции, потому что они образуют фиксированные структуры.

2. Они часто показывают 2-х, 3-х или 6-и-складчатую симметрию.

3. Они обычно слабее при высоких ориентировках телескопа, чем при низких.

4. Структурные искажения могут инвертироваться при прохождении через фокус.

Не смотря на большую обычность присутствия в рефлекторах, зажатая оптика не является чем то неизведанным и в рефракторах. Один рефрактор, который я исследовал, страдал от средства крепления, используемого между оправой и линзой. Материал затвердел или скопился в трех местах, создавая структуру звездного теста сходную с классическим трехточечным сжатым зеркалом. См. рис. 8-1.

Рис. 8-1. Образец структуры звездного теста, полученный на большом рефракторе. Его трехсторонняя симметрия придает эффект зажимания. При исправлении этой проблемы, изготовитель сообщил, что средство сцепления оптики причиняло неуместное давление на линзу.

Также, оправы линзы должны быть сделаны немного большими чем сами линзы, чтобы отвечать за более серьезную утруску металла при понижении температуры. Стекло сжимается, но не настолько, насколько металл. Если оправа сделана слишком маленькой, оптика фактически может быть сжата при низких температурах, имея в результате астигматическое или как-то иначе искаженное изображение. Если температура понижается слишком, тесная оправа может расколоть линзу как мышка яйцо.

8.2         Функция Аберрации

Существует столько форм деформированной поверхности, сколько имеется самих оптических поверхностей, но только одна будет смоделирована здесь. Произвольным выбором будет сдавливающий зажим или возможно тонкое зеркало, которое имеет слишком немного поддержек основания. Какие характеристики структура звездного теста должна иметь чтобы моделировать эффекты сдавливающих зажимов зеркала? Прежде всего, эффект должен быть самым сильным около края. Если оптика деформируется, наиболее легко она деформируется с края. Во вторых, аберрационная функция должна иметь трехстороннюю симметрию. Искаженная оптика, конечно, может выдавать и другие, не только трехлепестковые изображения. Однако, так как монтировочные оправы обычно имеют трехсторонний вид, такая деформация более обычна.

Без физического оправдания действия, можно выбрать смягченную[15] циклоидальную зависимость в угле и радиальную зависимость третьего порядка, чтобы представить аберрационную функцию, показанную на рис. 8-2. Привлекательная особенность этой функции зрачка - асимметрия деформации; она простирается от изгибов  в подошве до горбов со сгаженными вершинами. Аберрационная функция могла быть сделана симметрической в подошвах и пиках, вроде трехлепесткового астигматизма, но мы рассмотрим астигматическое поведение несколько позже, так что было бы избыточно остановиться на нем именно здесь.

Рис. 8-2. Аберрационная функция зажатой или деформированной оптики.

8.3         Фильтрация Зажатой Оптики

Рисунок 8-3 изображает MTF’ы двух открытых зажатых систем. Поскольку функция зрачка не аккуратно симметрическая, передача изменяется в зависимости от угла, под которым мы размещаем линии МПФ теста (таблицы, штрих - тесты, шаблона). Рисунок показывает три ЧКХ’и, соответствующие штрих - тестам размещенных в вертикальном, горизонтальном, и под углом 45° положениях. MTF для этой специфической поверхностной деформации очень подобен MTF’у аберрации дефокусировки.

0                 0.2               0.4              0.6              0.8

Доли максимальной пространственной частоты

Рис. 8-3. Искажение МПФ для трехлепестковой деформированной оптики.

Наименее зажатые кривые рис. 8-3, выдают отношение Стреля равное 0.8 (так же как у ¼-волновой сферической аберрации). Однако, из-за особенностей этой аберрационной функции, общее количество, зажимающей аберрации - 0.4 длины волны.

Удваивая полную аберрацию до 0.8 длины волны, кривая протягивается даже еще ниже. На низких пространственных частотах, такой телескоп сохраняет контраст относительно также как совершенная апертура 60%-ого диаметра.

8.4 Дифракционные Образцы Зажатой Оптики

На рис. 8-4, мы видим образцы дифракционных структур звездного теста, ожидаемые от исковерканного телескопа рефлектора, который имеет 25%-ое центральное экранирование. В фокусе, дифракционные кольца сжимаются вместе в узловатые радиальные спики.

Такие совершенно сбалансированные образцы вероятно не будут видимы в реальных телескопах. Одна давящая точка редко стимулирует точно такую же аберрацию как любая другая. Также, каждая искаженная поверхность отобразит ее собственные уникальные свойства. Один хитрый образец, не обработанный этой моделью - 6-конечный набор спик с одной стороны фокуса и приглушенной формы полигон с другой. Я был свидетелем такой проблемы много лет тому назад, когда одно зеркало было слишком сильно завинчено в оправу с 9 точками.

Однако, эта проблема проста для диагностики используя характеристики, упомянутые выше:

Зажатая=0.4 ОВ=25%  10              Нормальная ОВ=25 % 10

-8                                        8                                         8

Рис. 8-4. Вид звездного теста при деформированной или зажатой апертуре общей аберрации в 0.4 длины волны. Нормальное поведение находится в столбце справа. Диафрагма - 25 %.

1.        Посмотрите изменяется ли искажение со временем. Если оно устойчиво, не меняющее дисторсию изображения оно не могло быть вызвано местным нагревом, потоками в трубе или атмосферными эффектами, Взгляните снова минут через 15. Воздушные причины изменяют изображение драматически в то время как зажатость нет (если только сдавливание не изменяется отчетливо вместе с температурой).

2.        Посчитайте точки вокруг периметра. Если вы насчитаете их 3 или 6 вероятно во всем виноваты механические опоры. Трех или 6-скаладчатая симметрия так часто не происходит непосредственно от стекла. Двухскладчатая симметрия указывает на давление с одной стороны или она могла быть вызвана реальным астигматизмом стекла. Если двух-складчатая симметрия обнаруживается попытайтесь определиь ось астигматизма поместив руку в луч так же как вы уже это делали во время юстировки. Если ось искажения точно вертикальна, то вы можете предположить что вы либо невероятно невезучи либо астигматизм происходит в силу гравитационных аномалий вызывающих необычное давление[16]. (см. гл. 14)

3.        Переведите телескоп на звезду расположенную близь зенита. Проще всего подтвердить, что ваши пробемы вызваны механическими опорами зеркала, лишь изменить направление силы тяжести воздействующей на оптику. Если деформация уменьшается или изменяется, то это могло бы значить что опоры деформируют диск. В любом случае редко не изменяется, по крайней мере, величина, если не характер искажения, простым изменением угла телескопа. Исключение составляет зажатая пластина корректора в Шмидт - Кассегрене. Из-за того что пластина держится так крепко она дает одно и то же дисторсионное изображение при любых углах телескопа.

4.        Подвигайтесь вдоль фокуса. Некотороые искаженные образцы звездного теста сходны с астигматизмом с обеих сторон от фокуса. Если «точки» на изображении с одной стороны становятся ровными областями с другой, что-то, похоже, давит на оптику. Другие деформации не вызывают подобного поведения однако. Ничего подобного не появилось и на рисунке 8-4, так что это не всегда является надежным индикатором зажатости.

8.5. Исправление проблемы.

Последняя часть дискуссии на эту тему предполагает что вы имеете телескоп рефлектор страдающий от плохо закрепленной оптики. Подобная проблема редка в рефракторах и кроме того в них вы мало чего сможете исправить за исключением того что вернуть линзы на ремонт изготовителю.

Если вы видите двухлепестковое искажение изображения в рефлекторе Ньютона, у вашего инструмента астигматизм либо главного зеркала либо диагонали.

Вам необходим простой способ выделить причину искажения. Вращайте трубу в пределах 20°- 30° вокруг оптической оси. Если деформация, кажется, фиксируется под тем же самым углом в окуляре, проблема вероятно содержится в диагонали, потому что она также вращалась. С другой стороны, гравитация изменила свое направление относительно трубы. Если образец, кажется, вращается под тем же самым углом, или изменился иначе, причина - вероятно в поддержках главного зеркала.

В настоящее время, телескопы, которые зачастую находятся в наибольшей опасности пострадать от зажатой оптики это большие тонко-зеркальные рефлекторы Ньютона. Во многих таких инструментах угол трубы не может быть изменен, таким образом Вы не можете выделить происхождение аберрации простым и целесообразным вращением трубы. К счастью, образцы, замечаемые в тонко - зеркальных рефлекторах должны решительно изменяться с большими углами наклона к горизонту. Попробуйте сравнить вид дефокусированной звезды находящейся чуть выше горизонта, с видом другой находящейся почти над головой. Если изменения заметны, подозрение падает на поддержку - несущую наибольший вес – главное зеркало.

Если телескоп обеспокоен деформациями, Вы выигрываете материально, пробуя выполнить ремонт оправы зеркала вслепую, чем вовсе ничего не делать. Сначала, Вы должны проверить, что зажимы зеркала не давят на поверхность. Оптимально, зеркало даже не должно поддерживаются ими. Назначение зажимов зеркала состоит в том, чтобы предотвратить катастрофический ущерб во время транспортировки и хранения. Они действуют, как стопоры, чтобы зеркало не падало лицом вниз в трубу. Когда телескоп находится в рабочем режиме, эти зажимы не должны касаться  поверхности зеркала.

Вы обязаны удостовериться, что боковые поддержки слегка ослаблены. Во многих оправах зеркала, зажим и боковая поддержка - это один и тот же элемент. Так как большинство оправ зеркал сделано, чтобы подходить под зеркала номинального размера, боковые поддержки на них в некоторой степени регулируемы, или вращением установочного пластмассового винта или, добавлением тонких шайб на крепление зажима.

Ситуация которой следует избегать, такая, где зеркало поддерживается с чрезмерной силой, большей чем его собственный вес. Одна оправа зеркала, которую я осмотрел несколько лет назад, имела слишком много убранных шайб, из объединенного зажима – держателя края. Этот зажим был прикреплен винтом, который упирался в зеркало прежде, чем в металл оправы. В действительности, владелец сжимал сторону зеркала гаечным ключом.

Если зеркало немного болтается, когда Вы трясете оправу, оно установлено должным образом. Добивайтесь движения меньшего чем 1мм в любом направлении и даже еще более меньшего в вертикальном направлении.

Тонкие, большие зеркала на азимутальных установках Добсона не должны сдерживаться по краям точечными ограничениями. Собственный вес зеркала стимулирует недопустимые напряжения. Они должны висеть на скобах. Но даже если ваше зеркало поддержано скобой, оно может все еще быть труднокорректируемо. В одном телескопе я видел, скоба соскользнула, и зеркало сидело сбоку оправы. Также, скоба никогда не должна охватывать больше чем 50 % окружности зеркала, иначе она охватывает зеркало слишком плотно. Некоторые зеркала, поддерживаемые скобами, затягивающимися винтом, подобны зажатой трубе автомобильного радиатора. Такие установки должны быть изменены или исправлены, потому что они чрезмерно сжимают зеркало.

Конечно, существует не так уж много приемлемых дизайнов оправы для больших тонких зеркал, поддерживаемых в экваториальных установках. Когда инструмент перемещается по небу, он также вращается вокруг оптической оси. Таким образом, направление притяжения изменяет свою ориентацию по отношению к оправе. Кроме ртутного мешочка упомянутого ранее[17], изготовители испробовали множество других трюков чтобы избежать чрезмерного давления в краевых точках. Обыкновенно зеркало приклеивается к находящимся под ним опорам, обходясь вовсе без краевых держателей и зажимов. Даже гибкая аквариумная замазка иногда не спасает от возникающих проблем. Приклеивание зеркала на ней открывает возможности другим давлениям, если оно покоится на деформированной установочной пластине. Возможно, вы способны настроить зеркало так, чтобы оно работало должным образом в некоторых областях неба, но вероятнее всего вы будете обречены терпеть по крайней мере незначительные искажения. Компромиссы зачастую неизбежны когда вы монтируете такое большое гибкое зеркало на экваториальной установке.