Źrenica wyjściowa i subiektywna jakość obrazu w teleskopie

[Windforce]

Z racji że niedawno napisałem jakiś tam tekst i uważam że jest on w miarę dobry dla osób początkujących - jako podstawa zrozumienia zasad rządzących powstawaniem obrau w teleskopie, pozwolę sobie zamieścić go na forum. Artykuł prawi o znaczeniu okularu, źrenicy wyjściowej i wynikającej z niej jakości obrazu w teleskopie.

 

Jak wiemy, teleskop astronomiczny jest to takie urządzenie optyczne, które zbiera duże ilości światła i jednocześnie zwiększa kątową skalę obrazu widzianą przez oko. Aby oko mogło w nim dostrzec obraz, teleskop posługuje się tandemem układów optycznych - obiektywem i okularem. Odpowiednio żonglując parametrami okularu i obiektywu, zapewniamy sobie odpowiednią skalę obrazu, jasność i wystarczającą jego jakość. A więc po kolei:

 

Obraz tworzony przez obiektyw teleskopu można dostrzec patrząc nań bezpośrednio, umieszczając go na matówce lub matrycy lustrzanki/kamery, albo na skrawku matowej torebki foliowej. Po użyciu lupy jest możliwe obserwowanie obrazu z odległości kilkudziesięciu milimetrów, jednak nie można oglądać komfortowo obrazu w teleskopie z odległości np. 6 mm. W tym celu stosuje się okulary astronomiczne. W odróżnieniu od lupy, okulary astronomiczne dają komfort rozglądania się w szerokim polu widzenia, umożliwiają dokładne i wygodne umiejscowienie oka w muszli ocznej i mają standardowe obudowy, pasujące do każdego teleskopu. Najważniejszą cechą okularu astronomicznego, jest ogniskowa. Jest to odległość, z jakiej ludzkie oko widzi w nim obraz tworzony przez obiektyw teleskopu. Ogniskowe okularów dostępnych w sprzedaży wahają się od 2,5 do 50 mm, dzięki temu istnieje możliwość doboru okularu do różnych zadań.

 

W celu zrozumienia schematu doboru okularów do teleskopu należy zapoznać się z bardzo ważnym pojęciem ? źrenicą wyjściową teleskopu. Powstaje ona w wyniku zestawienia obiektywu z okularem we właściwej odległości. Można ją zaobserwować bezpośrednio jaki mały, świetlisty krążek, umieszczając skrawek matowej torebki foliowej przy okularze włożonym do wyciągu. Źrenica wyjściowa jest odwzorowaniem apertury teleskopu, widzianej przez okular. Podczas obserwacji nieba przysuwa się oko blisko okularu, aby trafić krążkiem źrenicy wyjściowej dokładnie w źrenicę oka. Wtedy można dostrzec obrazy gwiazd, mgławic i planet.

 

Dzięki pozycji oka ściśle dopasowanej do okularu, cała powierzchnia źrenicy wyjściowej teleskopu rzutowana jest na siatkówkę dokładnie z odległości dzielącej ją od źrenicy oka. Co bardzo ważne, dzieje się tak zawsze, bez względu na pole widzenia okularu, aperturę, światłosiłę, ogniskową, powiększenie, czy inne parametry teleskopu. W zależności od średnicy źrenicy wyjściowej, obraz jest jasny, bądź ciemny. Przy ocenie jego jasności liczy się tylko i wyłącznie średnica źrenicy wyjściowej i sprawność optyczna teleskopu, która zawsze jest mniejsza od jedności. Oznacza to, że przez teleskop nie można obserwować obrazu jaśniejszego, niż widzianego okiem nieuzbrojonym.

 

Zazwyczaj, źrenica wyjściowa teleskopu jest mniejsza od średnicy źrenicy oka, w ciemności rozszerzającej się do około 7 mm. Jeśli źrenica wyjściowa teleskopu jest większa, traci się cenną aperturę teleskopu, która zostaje ?ścięta? przez źrenicę oka. Przy skrajnych średnicach źrenic wyjściowych lawinowo rosną wady optyczne oczu, a mianowicie astygmatyzm i nierównomierności powierzchni rogówki. Dodatkowo, skrajne wartości powodują powstawanie niepożądanych zjawisk, takich jak spadek jasności, ostrości i kontrastu obrazu. Zakres źrenic wyjściowych gwarantujących wysoką jakość obrazu w teleskopach astronomicznych waha się od 1 do 5 mm, a maksymalna jakość osiągana jest przy 2 ? 2,5 mm. Należy zapamiętać, iż okular o ogniskowej f w teleskopie o światłosile obiektywu F wygeneruje źrenicę wyjściową o średnicy Z:

 

Z = f / F

gdzie Z i f wyrażamy w milimetrach.

 

Zauważmy, że nawet teleskopy Cassegraina i długoogniskowe refraktory o bardzo małych światłosiłach, mogą uzyskiwać duże źrenice wyjściowe i dostarczać do oka jasny obraz. Wystarczy użyć okularów o dużych ogniskowych. Przykład: okular 50 mm zastosowany w teleskopie SCT o światłosile F/10 zapewnia źrenicę wyjściową 5 mm. Za to ten sam okular zastosowany w teleskopie Newtona o światłosile F/5 wygeneruje źrenicę wyjściową 10 mm, która jest nieakceptowalna. Kolejny przykład: Okular 5 mm w teleskopie Newtona o światłosile F/5 oznacza źrenicę wyjściową równą 1 mm. Za to przytaczany wcześniej teleskop SCT będzie miał źrenicę wyjściową z tym okularem wynoszącą 0,5 mm która sprawi, że obserwacje staną się mało komfortowe przez ciemny obraz o niskiej jakości.

 

Na zakończenie, zamieszczam sporządzone przez siebie dwa rysunki:

 

Szacunkowa zależność między średnicą źrenicy wyjściowej, a jakością obrazu w teleskopie:

 

System optyczny tworzony przez okular astronomiczny typu Nagler oraz oko obserwatora:

 

Teraz, może słowo o okularach samych w sobie:

 

Okulary ?kitowe?, dostarczane w pudełku z teleskopem dzielimy na XVII-wieczne konstrukcje Huygensa, okulary Ramsdena i nieco nowocześniejsze okulary Kellnera. Te rodzaje okularów posiadają małe pole widzenia, odpowiednio 40, 35 i 45 stopni, nie pozwalające ogarnąć wzrokiem większej części nieba. Ich odległość od oka jest bardzo mała, w praktyce należy niemal dotykać okiem soczewki, aby objąć pole widzenia. Transmisja tych okularów jest niska, gdyż nie posiadają powłok wielowarstwowych, a prosta konstrukcja nie pozwala skorygować wielu własnych wad optycznych, zwłaszcza aberracji chromatycznej, astygmatyzmu, komy i krzywizny pola widzenia. Niedokładne wykonanie, nieefektywne powłoki, skutkują nieostrym obrazem pełnym odblasków  i pozbawionym kontrastu. Te okulary nie są rekomendowane, jeśli poważnie myślimy o obserwacjach nieba.

 

Warto doinwestować teleskop w odpowiednie okulary.

Pierwszą konstrukcją optyczną okularów którą można polecić to okulary Plossla. Składają się z czterech soczewek w dwóch grupach. Ich pozorne pole widzenia wynosi od 50 do 58 stopni, a odległość od oka wynosi 70-80% wartości ogniskowej. Z racji prostej konstrukcji zapewniają dobrą transmisję i brak odblasków, o ile zastosowane są na nich wielowarstwowe powłoki. Ich aberracje są dobrze korygowane, jeśli obiektyw teleskopu nie posiada światłosiły większej od F/6.

 

Interesującą konstrukcją okularów są okulary ortoskopowe. Małe pole widzenia wynoszące 40-45 stopni, jak i odległość od oka wynosząca 80% wartości ogniskowej są przeciętne, lecz siła ortoskopów leży gdzie indziej. Specyficzna konstrukcja optyczna powoduje, że obraz w nich wykazuje się nadzwyczajną ostrością, kontrastem, brakiem chromatyzmu i jest pozbawiony wad geometrycznych (dystorsji). To właśnie spowodowało, że najbardziej cenione na świecie okulary do obserwacji szczegółów Księżyca i planet to właśnie ?ortoskopy?.

Wartą polecenia grupą uniwersalnych okularów są okulary Erfle'a. Od Plossla odróżnia je umieszczenie soczewki/dubletu achromatycznego pomiędzy dwoma zespołami soczewek, co zwiększa pozorne pole widzenia do 60-70 stopni. Stopień korekcji okularów Erfle'a w światłosilnych teleskopach nie należy do najlepszych. W porównaniu z Plosslem, nie ma postępu, co widać zwłaszcza na brzegach powiększonego pola widzenia. Odległość od oka zależy od ich ogniskowej i wynosi od 50 do 80% wartości ogniskowej.

Znaczący postęp w konstrukcji okularów dokonał się w drugiej połowie XX wieku. Coraz lepsze gatunki szkieł, lepszy dobór i wykonanie, wydajniejsze powłoki i wprowadzenie symulacji komputerowych zaowocowały opracowaniem wielu nowych konstrukcji optycznych. Dominującym odbiorcą nowoczesnej optyki był przemysł w USA, Niemczech i Japonii. Nowoczesne technologie, z jednej strony maksymalizowały pozorne pole widzenia, z drugiej, zwiększały odległość od oka, aby możliwe były komfortowe obserwacje w okularach korekcyjnych. Miłośnicy obserwacji nieba mieli w tym wszystkim najmniej do powiedzenia, aż do lat 70 wieku XX, kiedy amerykański pasjonat astronomii i optyk Albert Nagler skonstruował swój pierwszy okular szerokokątny, dedykowany do obserwacji astronomicznych. Specyficzna budowa wewnętrzna jego okularu umożliwiała osiągnięcie pozornego pola widzenia aż 82 stopni, przy wciąż akceptowalnej odległości od oka.

Z drugiej strony, konstruktorzy okularów dążyli do zwiększenia odległości od oka. Ujemne elementy optyczne na drodze światła oraz specjalne gatunki szkieł o niezwykle wysokim współczynniku refrakcji umożliwiały uwolnienie od zmienności odległości od oka w funkcji ogniskowej okularu. Potocznie, ta grupa okularów zwana jest ?lantanowymi?. Radzą sobie one w dowolnym teleskopie o światłosile F/4 i większej, dostarczając fenomenalnej jakości obraz.

Ostatnią nowiną w świecie okularów są 100-stopniowe, wieloelementowe konstrukcje optyczne, dzieło zaawansowanych symulacji komputerowych. Użycie najbardziej egzotycznych gatunków szkieł i przemyślana budowa wewnętrzna zredukowały wszelkie aberracje i odblaski do minimum. Zniknęła uciążliwa dystorsja poduszkowa, na którą cierpią okulary Nagler i podobne do nich. Odległość od oka w tych nowoczesnych układach optycznych nie zmienia się wraz ze zmianą ich ogniskowej i wynosi wygodne, kilkanaście mm. W takich okularach mieści się 4-krotnie większa powierzchnia nieba, niż w okularach Plossla. Daje to możliwość oglądania tego samego obiektu przy znacznie wyższym powiększeniu. Znacznie zmniejsza się jasność tła, wzrasta kontrast i skala obrazu, co przekłada się na fenomenalne wrażenia z obserwacji. Pomimo obecności do nawet dziesieciu elementów optycznych, transmisja i kontrast tych okularów stoi na bardzo wysokim poziomie, a jest to efektem stosowania w nich najnowocześniejszych powłok antyodblaskowych i dokładnemu wykonaniu soczewek. Do tego, najlepiej ze wszystkich znanych konstrukcji optycznych radzą sobie z korekcją wad własnych na brzegach pola widzenia, nawet przy światłosile F/4. Znane są przypadki udanych obserwacji z użyciem okularów Ethos teleskopami o światłosile rzędu F/2,8!

 

Zaawansowane okulary, takie jak Nagler, Delos, Ethos i inne integrują w swoim wnętrzu pozytywne (skupiające) i negatywne (rozpraszające) grupy soczewek. Element ujemny, zwany elementem Smytha, znajduje się na wejściu okularu. Konwertuje on obraz dawany przez obiektyw na odpowiednio powiększony obraz leżący w nowej płaszczyźnie, widocznej dla elementu dodatniego, który dzięki istnieniu elementu ujemnego, ma ułatwione zadanie w dostarczaniu do oka skorygowanego obrazu o dużym kącie widzenia. Element Smytha działa niczym Barlow, zmniejszając stromość stożka światła docierającego z obiektywu. Płaszczyzna obrazu tworzona przez obiektyw i nowa płaszczyzna obrazu przetransformowana przez element Smytha nie pokrywają się ze sobą, jak ma to miejsce w prostych konstrukcjach okularów, przez co złożone okulary zwykle "wystają" z wyciągów bardziej niż ich proste odpowiedniki.

 

Bardzo istotną rolę pełni tu tzw. diafragma okularu. Jest to przysłona pola widzenia. Oko patrzące w okular widzi ją, jako granicę obrazu położoną w nieskończoności. Przy właściwym ustawieniu ostrości dla oka pozbawionego nad/krótkowzroczności, płaszczyzna diafragmy i obrazu w okularze powinny zgadzać się ze sobą. W takim przypadku, nastęuje również pełne pokrycie płaszczyzny diafragmy takiego okularu z płaszczyzną ogniska obiektywu teleskopu. Nie ma wtedy znaczenia ani długość jego ogniskowej, ani światłosiła, ani średnica. To dlatego względne różnice "backfocusa" czy też "wysokości ostrzenia" rozmaitych okularów zawsze będą identyczne, bez znaczenia na rodzaj teleskopu, w jakim się znajdują.

 

Odległość źrenicy wyjściowej ER, jest to konkretna odległość, która działa jak "wiaderko" zbierające skolimowane wiązki promieni światła w jednej średnicy źrenicy wyjściowej. Biegną one pod różnymi kątami od środka obrazu, aż do diafragmy. Są to bardzo strome kąty, więc konstruktor okularu ma bardzo trudne zadanie w opanowaniu sztuki właściwego pozycjonowania źrenicy wyjściowej w przestrzeni za okularem, tak samo, jak sztuką dla obserwatora jest pozycjonowanie źrenicy oka w tej przestrzeni. Jest to aktualnie jednej z najtrudniejszych aspektów projektowania nowoczesnej optyki szerokokątnej. Błędy konstrukcyjne prowadzą do powstania tzw. aberracji sferycznej źrenicy wyjściowej, kiedy to wiązki centralna i skrajna nie przecinają się w tej samej odległości, jak wiązki pośrednie. Skutkuje to męczącym i trudnym w obserwacji obrazem, "fasolkowaniem", a w skrajnych przypadkach całkowitym zanikaniem obrazu przy lekkim poruszaniu głową.

 

Napisałbym jeszcze o dobieraniu krzywizn pola widzenia obiektywu / okularu i innych wadach optycznych, obliczaniu dokładnej skali obrazu bazując na trygonometrii, ale już nie daję rady. Może jutro.

[ignisdei]

Przeniosłem do "sprzętu astronomicznego" i przykleiłem! 8)

[Alien]

Piękne opracowanie, dzięki.

[romkur55]

Jeśli źrenica wyjściowa teleskopu jest większa, traci się cenną aperturę teleskopu, która zostaje ?ścięta? przez źrenicę oka. 

Czy ?ścięta?  oznacza że informacja "cennej apertury teleskopu" została ostatecznie wymazana, czy też można ją odzyskać starając się wniknąć, poprzez ruch źrenicy, w niewidoczne na pierwszy rzut oka strefy pola widzenia okularu? 

............................................................................................................................................

 ED 80/600, Newton 6" F/5 CRF OTA, Sky-Watcher HEQ-5 Pro SynScan, Orion StarShoot Autoguider,  Pentax K-5.       

.............................................................................................................................................

Przychylnego nieba życzę 

[polaris]

Stosunek powierzchni źrenicy oka do powierzchni źrenicy wyjściowej pozostanie stały, więc raczej nie.

[popmart]

W dniu 4.07.2015 o 01:22, Windforce napisał:

 

Interesującą konstrukcją okularów są okulary ortoskopowe...

Bardzo dobre opracowanie.