2019.01.26.

A minőség próbája: egyszerű csillagteszt az ég alatt – Babcsán Gábor

1. A probléma

Tegyük fel, hogy a Vaterán végre belebotlottunk. Álomtávcső, a fentibe. Az eladó nincs képben, mit örökölt, olcsó a portéka. Gyorsan kell dönteni, hiszen ilyen műszerek kapósak, de kérjünk egy kis időt, várjuk meg az éjszakát, hogy a műszer látómezejébe becserkészünk egyetlen fényes csillagot.
Ez az origó, ahonnan mindent látni. A csillagteszt.

2. Sötétben tapogatózva

Egyszerűbb volna, ha az eladó mellékelne a műszeréhez egy interferogramot, amelyen láthatjuk a műszer pontosságát. De nincs ilyen. Aztán egyse tudnánk ellenőrizni, hogy honnan van, erről a műszerről szól, vagy a pénzről!

Reálisabb probléma, hogy az interferometrikus mérések is sokfélék. Némelyik csak közelítően méri az optikai felület (és az erről képződő hullámfront) pontosságát. Vannak természetesen egész pontosak, amelyek a felület apró irregulatásait is jelzik. Mint a Shack-Hartmann metódus. A kèpen így kimért 203/1200 Meade-tükör, tényleg – és egész pontosan-nagyon jó minőségű.
Strehl-értékben 0,94, azaz ilyen -94%- hatékonysággal fókuszálja a fényt.

De nekünk szerencsére nincs szükségünk drága interferométerre ahhoz, hogy viszonylag jól lássuk, milyen képalkotású a távcső. Bizzunk meg a szemünkben!

3. Alapfogalmak

A kör alakú objektívek (tökéletes leképezés esetén) a pontszerű fényforrásokat egy Airy korongba és egyre halványuló diffrakciós gyűrűkbe képezik le. Ideális esetben 84 % fény koncentrálódik az Airy-korongba, 7% az első diffrakciós gyűrűbe, a maradék meg a többibe.


A fenti szimulált kép mutatja, hogy ha 30%-os (lineáris) kitakarású segédtükröt helyezünk a rendszerbe, akkor jelentősen felfényesedik az első diffrakciós gyűrü, rontva a szoros részletek kontrasztos felbontását. Még a mérsékelt, 25%-os kitakarás mellett is csak 73% fény koncentrálódik az Airy-korongba. Súlyos degradáció, hogy az első diffrakciós gyűrű jelentősen felfényesedik: 18%-os intenzitásúra.

Hasonlóan degradálódik a kép, ha a tükörfelület nem elég pontos. A 25%-os kitakaráshoz hasonló képromlást okoz, ha a parabolatükör l/10 gömbi hibát tartalmaz, ilyenkor a dupla fényútnál ez az eltérés megduplázódik, a fény hullámfrontjàban l/5 lesz.

Néhány alapfogalom:

Rayleiht-kritérium, hullámfronthiba

Tökéletes leképezés (kontrasztátvitel) csak akkor lehetséges, ha a fényhullámok azonos fázisban találkoznak.
A 19.század elején Rayleight úgy találta, hogy a leképezés akkor “elegendően jó” minőségű, ha a találkozó fénysugarak hullámfrontjai között a fáziskülönbség l/4, vagy ennél kisebb. Ez az un. diffrakció limitált leképezés küszöbe.

Strehl-érték

Az optikák leképezésére- a jel kontrasztátvitelének “hatásfokára”- egyszerű jellemzés a Strehl-érték. Az Airy-korongban összegyüjtött gyakorlati és elméleti fénymennyiség intenzitásának a hányadosa. A fenti “Rayleight-kritérium” éppen 0,80 Strehl-érték.

A leképezés pontosságának kategóriái:

– 0,70 Strehl alatt: a műszer elsősorban asztrokamerának felel meg vagy kis nagyítású vizuális megfigyelésekre (nagy kitakarás kombinálva közepes optikai minőséggel).

– 0,70-O,80 S: Javuló képalkotás, de erős kompromisszumok. (Nagy kitakarású reflektorok általában, fényerős akromátok).

– 0,80-0,90 S.: Jó kép. Minden megfigyelésre alkalmas a távcső.(A kitakarás 25-20 %, vagy 30%, közel perfekt optikával, mérsékelt szini hibájú refraktorok).

– O,90- 0,95 S: Kitűnő képalkotás (Kis szinihibájú refraktorok, Newtonok 20% kitakarás alatt).

– 0,95-1,0 S: Az “érzékelhető perfekt” tartomány. A légköri kondíciók miatt itt már nehéz különbségeket tenni. (prémium refraktorok, ferdetükrös rendszerek, 15% kitakarású Newtonok)

A fönti szimulált képre visszatérve: a leképezés Strehl-értéke 0,83.
Azaz a leképezés a “jó képalkotás” alsó határára esik ilyen nagy kitakarásnál, ideális esetben is.
Ha a felület pontatlan; a képalkotás gyorsan degradálódik a kritikus határ felé.

4. Csillagteszt

Maradjunk annyiban, hogy tökéletes leképezésű távcső még nem született, de nem is lehet. Még a nagyon jó leképezésű apokromátok is mutatnak némi szini és gömbi hibát az optikai tengely mentén. Az optikai tengelyre szöget záró sugarakra még kritikusabbak a távcsövek. A kómahiba a térbeli abberációk közül a legkellemetlenebb, különösen drasztikusan sújtja a fényerős parabolatükröket.

A lencséknél a gömbfelületek miatti gömbi eltérés (szférikus abberáció) és a szinezés játszik erősen, a kóma szerencsére alig vagy csekély mértékben.

Hogy láthatóak ezek a hibák egyszerűen a távcsőben?

Az ábrán egy lencse tipikus hibája: az optikai tengellyel párhuzamos monokróm fényt a lencserészek nem egyetlen pontba fókuszálják. Ez a szférikus abberáció, amely hogy bonyolítsuk az életet, a lencséknél még a fény hullámhosszától is függ: ez a szferokromatizmus.

A F a lencse leképezésének a fókuszpontja, a legjobb leképezés helye. Ha defókuszált képnél vizsgáljuk egy csillag leképezését, akkor a defókuszált képek fényeloszlása megfordul az intra és extrafokális helyzetben. Ha a lencse leképezése tökéletes lenne, akkor a két kép azonos lesz egymással.
De törvényszerűen (többé-kevésbé) a lencserendszerek is tökéletlenek. Az extra és intrafokális kép különbözni fog, mégpedig az elméleti optikai hibák meg a gyártási felületi pontatlanságok (de pl.a rossz jusztírozottság, stb) eredőjeként.

5. Árulkodó próba

Az extra és inrafokális képek összehasonlítása illetve ezek önmagukban is nagyon jól mutatják a gyakorlati és elméleti optikai hibákat. Ugyanis itt “széthúzzuk” a fókusz képalkotását, és jól szeparálódnak a különböző optikai problémák.

A fönti ábrán egy 33 %-os kitakarású Newton vagy katadioprikus rendszer intrafokális képalkotása l/8, l/6 és l/4 hullámfrontú zónahibák (a Newtonoknál szférikus abberáció) esetén. A Strehl-értékek degradációja 0,95, 0,91 ill. 0,80 (Rayleight-küszöb) lesz. Sajnos, mivel 33%-os kitakarás is van a rendszerben a képalkotás még tovább romlik. Az effektív Strehl így alakul: 0,76, 0,74, O,69.
Azaz egy ilyen tipikus kitakarású rendszer még szinte tökéletes optikai minőség esetén is csak alulról súrolja a “jó leképezés”tartományát. Közepes minőség esetén inkább csak asztrokamerának elsőrangü, mindössze egy kb. fele akkora prémium refraktor felbontását nyújtva a kis kontrasztkülönbségű égitesteken (pl. a bolygókon).

6. Próba az ég alatt

A csillagteszt egy igen szenzitív teszt. Egyszerű kivitelezni egy közepes nagyitást adó (pl.15 cm-nél 150x) jó okulárral. 5-10 diffrakciós gyűrűre széthúzva kell összehasonlítani egy fényes csillag extra és intrafokális képét.
(Kevesebb diffrakciós gyűrűnèl erősebben érzékelhető a két kép differenciája, természetesen.)
Ha e kettő erősen eltérő, akkor a műszer a “diffrakció limitált” (0,80 Strehl) határt se éri el. A kitűnő leképezésnél a két kép fényességeloszlása már nem tér el jelentősen egymástól. (A külső gyűrű és a legbelső gyűrűk fényességaránya az árulkodó jel.)

A refraktoroknál a szini hiba miatt érdemes színszűrőt használni a vizsgálathoz. A szem érzékenysége miatt a legfontosabb a sárgászöld tartomány (praktikus pl. egy Baader Solar Continuum szűrő). A vizuális észlelésre optimalizált refraktorok szferikus abberációja itt lesz a legkedvezőbb általában (kivétel az asztrográfok).

A képen egy kis japán (Vixen) 60/700 -es Fraunhofer-refraktor. Igazi “áruházi távcső”, klasszikus olcsó tipus. Ám tökéletesen alkalmas az éggel való megismerkedésre és jó partner az utazásoknál is. Ugyanis kis fényerejű akromatikus objektívje igen precíz, ráadásul csekély szini hibát mutat (kisebbet, mint a túlzottan fényerős – f/6 körül – olcsóbb, ED- dublett tipusok, nyugodjunk bele!)

E klasszikus kis refraktor még 173x nagyitással is éles képet ad a bolygókról (4 mm Zeiss ED ortho okulárral)megmutatva a Mars hósapkáját, nagy léptékű részleteit vagy a légköri turbulenciákat a Jupiteren, de az egyenlőtlen epszilon Boo (2,8″) felbontása sem lehetetlen vele. (Mivel kómahibája gyakorlatilag zero, nagy látómezőben is sokkal szebb képet ad a mint egy fényerős kis Newton.)

Kicsi a bors, de erős.
Hogy látható ez a csillagteszttel?

7. Szemtől-szembe

A legpontosabb: “laboratóriumi körülmények” között elvégezni a csillagtesztet, mert itt alig zavar a turbulens légkör. Ehhez szükséges egy “közel perfekt” kollimátor távcső, amelyikben “visszafelé” sugározzuk egy műcsillag képét. Ezt tanulmányozzuk a pontosan szemben elhelyezett másik, megvizsgálandó műszerrel.

A képen a 125/1000 Goto Optical referencia minőségű Newton (0,998 Strehl pontosságú tükrökkel), amely fókuszkihuzatában egy HeNe laser műcsillag (5x Tele Vue Barlow-val kombinálva; amely a szűk távolságok miatt l/10 alá csökkenti a műcsillag sugárkúpjának látszólagos, térbeli gömbi-hibáját). E rendszer képezi le 12,5 cm-es nyalábbá a fényt. Ezzel az összeállitással nagyon sok távcsőnek volt szerencsém a képalkotását tanulmányozni (a műszer tubusa 1994 óta boldogít, egy vadonatúj 12,7 cm apokromát csereértékeként.)

Kérdés, mit mutat benne a japán “kistesó”? Egy karácsonyi ajándéktávcső?

8. Szenzibilitás

Jóllehet a csillagteszt nem ad egzakt számszerű eredményt, mégis nagyon pontosan látni a képalkotás összetevőit. Gyakorlattal még a Strehl érték is megbecsülhető, némi pontossággal.

A képen 173x nagyitással a kis 6 cm-es Fraunhofer intrafokális műcsillag képe. Jól látható, hogy közel tökéletes a fényességeloszlás, szinte biztosan 0,95 Strehl-érték felett. Ezen a 633 nm hullámhosszon nem is lehet teljesen hibátlan, hiszen a szferokromatizmus csekély szintje (kb. 0,98) törvényszerű vörösben egy f/12 FH-objektívnél. A lencsefelületek nagyon pontosak, legfeljebb 1-2 %-nyi további képromlás lehet még. (Hozzá kell tenni, hogy ez f/ 12 fényerőnél rutinfeladat egy Vixen szintű gyártónak.)

A diffrakciós képben a Newton kis segédtükre integrálódott. Jól érzékelhetőek a vékony (0,5 mm) segédtükör tartó làbak. Ezek mindössze kb. 2%. degradációt (l/12 hullámfronthibának) megfelelőt okoznak, mégis erősen láthatóak az együttes diffrakciós képben. Mindez jól jelzi a csillagteszt szenzibilitását és informatív jellegét.

A kép (mobillal készült) a nagy nagyítás miatt pixeles, látszanak a szobai turbulenciák is. Az enyhe asszimetria a Newton kómája; a két távcső kollimációjának kis pontatlansága. És persze az is kitűnik, hogy a fönti kis refraktort érdemes nyaralásokkor bedobni a kocsi csomagtartójába. Kitűnő. Ha már, megvettük “látatlanba” a Vaterán! (Ahogy szoktuk.)
(De azért objektívje nem “áruházi távcső”, a precíz Vixen vezető távcsövének az optikája.)

Babcsán Gábor

4.83/5 (6)

Értékelés

About the Author: