Особенности использования Линзы Барлоу

Схемы объективов телескопов, окуляров и проч. аксессуаров. Их преимущества, особенности и недостатки.

Особенности использования Линзы Барлоу

Сообщение Ernest » 08 окт 2010, 23:30

Особенности использования линз Барлоу


Линза Барлоу (ЛБ) это оптико-механический узел, который устанавливается в фокусер телескопа так, чтобы не очень сложный отрицательный оптический компонент внутри ее (обычно, просто отрицательная ахроматическая склейка) расположился перед фокусом объектива. В итоге на обрезе узла линзы Барлоу фокусное расстояние объектива увеличивается в число крат ЛБ. То есть ЛБ понижает относительно отверстие объектива и может быть использована для увеличения масштаба изображения в результирующем фокусе. Увеличение масштаба используется при астрофотографии планет или для повышения "кратности" окуляра при его совместном использовании с Барлоу.

Увеличение телескопа Г при использовании окуляра с линзой Барлоу:

Г = Глбо = Глб*f'об/f'ок,

где
Глб - "кратность" (увеличение) линзы Барлоу,
Го - увеличение телескопа с этим-же окуляром, но без Барлоу,
f'об - фокусное расстояние объектива,
f'ок - фокусное расстояние окуляра.

Например, для 25 мм окуляра используемого в телескопе с фокусным 1000 мм увеличение составит 40х, а с 2х линзой Барлоу 80х

Линза Барлоу обычно используется для того, чтобы
  • не плодить число дорогих окуляров (сочетание ЛБ с окуляром как-бы порождает дополнительный виртуальный окуляр с меньшим фокусным расстоянием в коллекции наблюдателя),
  • снизить светосилу объектива телескопа (все окуляры дают более или менее худшее качество изображения в сочетании со светосильным объективом и проявляют себя лучше с менее светосильным),
  • увеличить комфорт при наблюдениях с большими увеличениями (классический средне фокусный окуляр + ЛБ обычно имеют больший вынос вых. зрачка, чем равный им по увеличению короткофокусный окуляр),
  • увеличить масштаб изображения в плоскости изображения (что позволяет увеличить разрешение фотоприемника, например при фотографировании планет)

Замечу, что нетелецентричные (однокомпонентные) линзы Барлоу меняют ход главного (центрального) луча внеосевых пучков, что в том числе приводит к увеличению выноса выходного зрачка окуляра на величину:

dZ', мм = (Г-1)*f'2/(L*Г),

где Г, крат - увеличение ЛБ;
f', мм - фокусное расстояние окуляра;
L, мм - длина линзы Барлоу (примерно от собственно линзы, до торца окулярной втулки).

Например, для 25 мм окуляра используемого совместно с 2х Барлоу длиной 60 мм вынос вых. зрачка изменится на (2-1)*25*25/(60*2) = 5.2 мм

Как видим из формулы, чем больше фокусное расстояние окуляра, короче ЛБ и выше ее кратность, тем больше изменение выноса вых. зрачка против номинального. Вроде бы и хорошо - чем больше вынос вых. зрачка, тем лучше. Но увеличение выноса требует увеличения диаметра глазной линзы окуляра на величину примерно равную: 2*dZ'*tg(2w'/2) (2w' - угловое поле зрения окуляра). Предусмотрел-ли производитель окуляра этот запас в условиях довольно жесткой экономии на оптических материалах, особенно в бюджетной области? Если нет, то поле зрения окуляра будет завиньетировано (затенено по краю) до меньшего против заявленного производителем окуляра значений (скажем, при работе с Барлоу окуляр с полем зрения 50 градусов вполне может отрабатывать как 40-градусный). Кроме того такое сильное отклонение хода внеосевых пучков света от расчетного приводит к нарушению аберрационной коррекции - возникают артефактные аберрации - тем большие, чем ближе к краю поля зрения.

Как линзы Барлоу влияют на поле зрения телескопа?


В первом приближении поле зрения телескопа (область видимая на небе, TFOV) уменьшается обратно пропорционально увеличению ЛБ, выходное поле зрения телескопа (видимое угловое поле окуляра, AFOV) при использовании ЛБ не меняется. Но в некоторых особо сверхширокоугольных окулярах в сочетании с ЛБ большого увеличения возможно виньетирование (затенение) края поля зрения из-за недостаточного диаметра линз окуляра. Могут быть также эффекты второго порядка малости на поле зрения окуляра из-за его аберраций в выходном зрачке.

Можно-ли использовать линзу Барлоу в сочетании с окулярами, у которых уже есть встроенная "линза Барлоу"?


Если кратко - да, можно!
Подробнее... (1) У многих окуляров есть отрицательны линзовый компонент перед полевой диафрагмой, который напоминает линзу Барлоу (ЛБ). Разница в том, что в отличие от нормальной ЛБ этот компонент составляет неразрывное целое с прочими линзами окуляра и не рассчитан сам по себе на ноль аберраций, также как остаток линз окуляра не рассчитан на нулевые аберрации. Эти две половинки компенсируют аберрации друг друга. То есть попытки использовать передний компонент как "линзу Барлоу" с окулярами не рассчитанными на совместную работу с ним, так же как остаток окуляра без переднего компонента приведут к плачевном результату - изображение будет не резким (из-за сильных нескомпенсированных аберраций). С равным успехом можно удалить из окуляра любой другой компонент (линзу). Так что наличие полевой линзы окуляра перед полевой диафрагмой (например в Гиперионах от Баадера, Наглерах и многих других с преувеличенным выносом выходного зрачка) ни как не мешает использованию совместно с ним линзы Барлоу. (2) Но обычно такой отрицательный компонент свойственен сверхширокоугольным окулярам, для которых линза Барлоу с обычно неважной коррекцией полевых аберраций может вносить заметные искажения к краю поля зрения.

Какие линзы Барлоу лучше - "короткие" или "длинные"?


Чем длиннее конструкция линзы Барлоу (и соответственно больше ее фокусное расстояние), тем меньше полевых искажений она вносит в качество изображения. И наоборот, чем короче ЛБ, тем большую кривизну и астигматизм вносит она в изображение телескопа. С другой стороны, короткофокусные ЛБ вносят меньше аберраций в центре поля зрения, легче "разгоняются", имеют меньшие габариты и кажутся более привлекательными при наблюдениях (фотографировании) планет. Так что длиннофокусные ЛБ "лучше" при наблюдениях протяженных объектов, а коротокфокусные - для компактных.

Насколько точно работают ЛБ в соответствии с их номиналом?


Реальная кратность обычных однокомпонентных линз Барлоу может отличаться от декларируемой. В первую очередь это происходит из-за разнобоя в положении передней фокальной поверхности окуляра, который используется с линзой Барлоу. Большая часть ЛБ рассчитаны на нулевое значение параметра парфокальности окуляра (расстояние от опорной поверхности его корпуса до его передней фокальной поверхности - положения полевой диафрагмы см. http://astro-talks.ru/forum/viewtopic.php?f=17&t=146&p=548#p548). Если же этот параметр положительный, когда передняя фокальная поверхность или полевая диафрагма выдвинута внутрь посадочной втулки - от глаза наблюдателя, то ЛБ не добирает увеличения примерно на величину Z*(Го-1)/L , где Z - параметр парфокальности в мм, Гo - номинальное увеличение ЛБ, L - длина ЛБ от линзы до посадочного торца окулярной втулки. И наоборот, если параметр парфокальности отрицательный (передняя фокальная плоскость окуляра утоплена внутрь его корпуса, относительно опорной базы) то увеличение ЛБ будет немного больше номинала (прибавку к увеличению можно посчитать по той-же формуле).

Так улучшают или ухудшают изображение линзы Барлоу?


Линзы Барлоу всегда добавляют свои аберрации к изображению, которое строит телескоп. Это в первую очередь полевые аберрации: кривизна изображения и в чуть меньшей степени астигматизм (тем большие, чем короче ее конструкция и больше ее кратность), но также и остаточные проявления хроматизма, сферической аберрации. С другой стороны при работе в телескопе со светосильным объективом (в Ньютонах) линзы Барлоу небольшой кратности несколько улучшают качество итогового изображения за счет того, что понижает светосилу объектива и предоставляет таким образом более щадящие условия для проявления аберраций окуляра. Как уже упоминалось - на краю поля зрения ход световых пучков сильно искажается линзой Барлоу по сравнению с расчетным (нарушается телецентричность), что способствует появлению наведенных полевых аберраций (в первую очередь астигматизма) и заметному ухудшению качества изображения у края полевой диафрагмы. Кроме того, в сверхширокоугольных окулярах после нетелецентричных линз Барлоу возможны проявления виньетирования (сильное падение яркости изображения) и даже срезание края поля зрения. Заметим, что чем больше кратность линзы Барлоу, тем сильнее ее отрицательное влияние на качество изображения на краю поля зрения окуляра. При визуальных наблюдениях лучше ограничиться 2х и 1.5х линзами Барлоу.

Насколько вообще необходима линза Барлоу?


Линзы Барлоу необходимы прежде всего для получения заданного увеличения (масштаба изображения) при фотографировании планет через объектив телескопа. И тут вполне обычны и оправданы 3х, 4х и 5х увеличения. Также линзы Барлоу (лучше невысокой кратности) предназначены для того, чтобы "превращать" дорогие среднефокусные окуляры в короткофокусные - тут может быть выгода в некоторой экономии (линза Барлоу обычно заметно дешевле хорошего короткофокусного окуляра). Но стоит иметь ввиду, что короткофокусный окуляр дает все же лучшее изображение, чем ЛБ + длиннофокусный окуляр и ЛБ оправдана, как мне кажется, только для достижения редко используемых сверх высоких увеличений.

Можно-ли как-то изменить "кратность" линзы Барлоу?


Да, для однокомпонентных, нетелецентричных ЛБ это возможно. К примеру, конструкция некоторых ЛБ предусматривает вкручивание оправки с ее линзой прямо в резьбу светофильтра окуляра, что уменьшает увеличение ЛБ примерно в полтора раза по сравнению с номиналом. Кроме того, в небольшом диапазоне вариации увеличения происходят самом собой при использовании окуляров с разным положением переднего фокуса относительно опорного торца его корпуса (Параметр Парфокальности), см. выше. Ну и увеличение ЛБ тем больше, чем больше расстояние от линзы внутри нее, до переднего фокуса окуляра. Номинальное увеличение достигается, если окуляр с расчетным (обычно нулевым, когда передний фокус располагается в опорной плоскости его корпуса) параметром парфокальности вставить прямо во втулку ЛБ. Если во втулку ЛБ вставить удлинительную трубку (скажем, корпус другой ЛБ, но без линзы), а окуляр уже в нее, то увеличение возрастет. Такие дополнительные втулки иногда называют "разгонными". Также возрастает увеличение, если между ЛБ и окуляром вставить узел диагонального зеркала. Измененное увеличение линзы Барлоу с промежуточной втулкой можно посчитать по формуле:
Г = (Гo-1)*(1 + L/Lo)+1, где
Гo, крат - номинальное (указанное на корпусе) увеличение ЛБ,
L, мм - длина втулки (вставки) между опорными торцами ЛБ и окуляра,
Lo, мм - длина ЛБ (от линзы до опорного торца окулярной втулки)
или
Г = (Гo-1)*L'/Lo + 1, где
L' = L + Lo - длина линзы Барлоу с "разгонной" втулкой.

Замечу, что подобный "разгон" увеличения обычно благотворно сказывается на полевых аберрациях. 2х линза Барлоу, которую при помощи дополнительных втулок заставили работать как 5х имеет много более однородное качество по полю зрения, лучше взаимодействует с окулярами, хотя и получает в центре поля зрения небольшую прибавку сферической аберрации.

Интересен еще один момент связанный с "переменностью" увеличения линз Барлоу. У окуляров есть параметр парфокальности z - расстояние от его передней фокальной плоскости до опорного торца его корпуса, которым он упирается в окулярную трубку телескопа, диагонального зеркала или торец втулки корпуса линзы Барлоу. Этот параметр обычно близок к нулю и обычно под это значение заявляется номинал увеличения обычных (однокомпонентных) линз Барлоу. Если параметр отрицательный - фокальная плоскость сдвинута назад (к глазной линзе), то Барлоу будет давать немного большее увеличение, если параметр положителен (как у большинства окуляров ТелеВью) то линза Барлоу будет давать несколько меньшее увеличение.

Связь дефекта увеличения dГ и параметра парфокальности примерно задается формулой:

dГ = -(1+1/Го)*z/L = -(Го+1)*z/(L*Го),

где z - параметр парфокальности окуляра в мм,
Го - номинальное увеличение линзы Барлоу в кратах,
L - длина ее корпуса в мм

Например, 2х ЛБ с длиной корпуса 100 мм совместно с 13 мм Наглером тип-6 (параметр парфокальности равен 6.25 мм) будет иметь дефект увеличения равный -6.25*(1+1/2)/100 = -0.09 или -4.5% - в общем-то немного

Зачем нужны телецентричные Барлоу, вроде Pawermate от TeleVue?


По сути это небольшой кратности (от 2х до 5х) трубки Галилея. Такие (как минимум двухкомпонентные) линзы Барлоу не меняют телецентричности хода внеосевых световых пучков при их входе в окуляр - они как шли параллельно оптической оси до ЛБ, так и выходят из нее параллельно оси. Это не меняет положения вых. зрачка окуляра и не искажает баланс остаточных аберраций в окулярах работающих совместно с ними. Правда, это лишает нас возможности играть увеличением ЛБ используя "разгонные втулки".

Уменьшают-ли линзы Барлоу полевую кому схемы Ньютона или Шмидт-Кассегрена?


Казалось бы, использование линзы Барлоу делает из светосильного Ньютона "медленный" (например из Ньютона 1:5 при использовании 2х линзы Барлоу получается 1:10), а у них как известно проявления комы едва заметны. К сожалению, это не так. Оно и понято, если бы таким простым образом можно было бы компенсировать кому параболического зеркала, то не было бы очень дорогих многолинзовых корректоров комы. Величина комы в схеме Ньютона зависит от светосилы главного зеркала, а линза Барлоу только меняет масштаб изображения, увеличивая в равной степени как само изображение, так и размеры аберрационных пятен.


Назад к оглавлению статей
Аватара пользователя
Ernest
Основатель
 
Сообщения: 10130
Зарегистрирован: 12 окт 2009, 10:55
Откуда: Санкт-Петербург, Бухарестская, д.33, к.1

Вернуться в Оптические схемы

Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и гости: 1