Добро пожаловать на наш астрономический форум!
Надеемся, что здесь вы сможете получить толковые ответы на свои вопросы по любительской астрономии основанные на опыте и знаниях, а не на догадках, мифах и чтении Интернета по диагонали.
Если вы решили присоединиться к нам - придерживайтесь и Вы в своих ответах этих правил

Зоны особого внимания: ЧАВО (FAQ), Обзоры оборудования и Окуляры

Призмы или зеркала?

Конструкция механики телескопа, технологические приемы и проч. ноу хау.

Модератор: Ernest

Ответить
Аватара пользователя
Ernest
Основатель
Сообщения: 13835
Зарегистрирован: 12 окт 2009, 10:55
Контактная информация:

Призмы или зеркала?

Сообщение Ernest » 23 мар 2019, 12:43

Что предпочесть призменные или зеркальные диагонали?

Изображение

Без зенитных или звездных диагоналей невозможно себе представить сколь-нибудь длительные астрономические наблюдения в рефракторах и разнообразных Кассегренах. По сути диагональ это сложная оправа характерной треугольной формы для присоединения к тубусу (заднику) телескопа с зеркалом или призмой внутри и посадочной втулкой для окуляра располагающегося под 90 градусов к оси телескопа. Главная функция - сломать ось трубы на 90 градусов и сделать таким образом наблюдения удобными. Без диагонали голову пришлось бы более или менее сильно задирать назад, а трубу телескопа сильно приподнимать на высокой треноге. Наблюдая с диагональю мы смотрим наклоняя голову вперед и вниз, а тренога может быть невысокой. Вторичная попутная функция - изменить ориентацию изображения на более-менее привычную: или зеркальную, но с правильной ориентацией верх-низ, или обеспечить полное оборачивание с правильной ориентацией также и лево-право. Ну и, кроме того, заклад на использование призмы, которая съедает часть заднего отрезка, позволяет производителю укоротить габариты рефракторов.

Замечу, что все это не имеет отношения к Ньютонам/Добсонам у которых диагональное зеркало встроено в базовую оптическую схему.

Основные особенности и функции диагоналей


Способ излома оптической оси
Все диагонали делятся на две группы: зеркальные (ось ломается однократным отражением от зеркала с наружным зеркальным покрытием) и призменные (оптическая ось меняет направление однократным или многократным отражением от граней призмы той или иной конструкции).
Зеркальные различаются между собой видом зеркального покрытия: металлические (большей частью алюминий, обычно с защитным покрытием), диэлектрические (отражение происходит в результате интерференции от сложного "пирога" многочисленных тонких слоев диэлектрических материалов) и комбинированные (алюминиевая или серебряная подложка с несколькими диэлектрическими слоями поверх для уменьшения потерь света и защиты металлического слоя). Надо иметь ввиду что все эти типы используют одинаковые подложки - стеклянные (включая перикс подобные), кварцевые или ситалловые. То есть "металлические" зеркала это стеклянная полированная с одной стороны пластина с тонким (несколько микрон) напыленным на нее в вакууме слоем металла, который и играет роль наружного зеркала. Этот слой может быть покрыт еще несколькими слоями защиты и "улучшения". У диэлектрических зеркал та-же стеклянная или кварцевая подложка покрыта множественными тончайшими слоями диэлектриков со специально подобранными показателями преломления и толщиной слоев для достижения за счет интерференции еще лучшей эффективности отражения.
Призменные диагонали так-же разнообразны. Все известные мне призменные диагонали используют для излома хода оптической оси явление полного внутреннего отражения (отражение света совершенно без потерь при углах более некоторого критического угла падения). Бывают и призмы с отражением от граней с зеркальным металлическим покрытием (широко используются в биноклях), но об их использовании в астрономических гаджетах мне неизвестно.
Основной тип - это призма которую наш ГОСТ определяет как АР-90 или простая прямоугольная призма (diagonal prism) с преломлением на входной и выходной катетной грани и однократным полным внутренним отражением от гипотенузной грани, что ломает оптическую ось на 90 градусов. Многие продавцы не особенно различают призменные диагонали от зеркальных и пишут на обоих типах одно и то-же: "диагональная призма" или "диагональное зеркало" или просто "диагональ", не специфицируя что же именно используется внутри для излома оптической оси.
Встречаются и типы призм отличные от АР-90:
  • призма Амичи - призма с изломом оси на 90 градусов и двумя отражениями от "крыши" - пары граней под углом 90 градусов друг к другу расположенной вместо гипотенузной грани призмы АР-90. Благодаря двойному отражению призма производит полное оборачивание, то есть с ней в телескопе изображение прямое с правильным расположением левой и правой сторон. По сравнению с АР-90 эта призма увеличивает ход света внутри стекла в 1.73 раза.
  • Шмидта - призма с изломом на 45 градусов и тремя отражениями, которые формируют обычное зеркальное изображение (как и у АР-90), требует серебрения одной из граней и из-за этого обычно не используется. Ход света внутри стекла в 2.4 раза больше, по сравнению с АР-90.
  • Шмидта с крышей - призма с изломом на 45 градусов и четырьмя отражениями, которые формируют изображение с полным оборачиванием (как и у Амичи из-за чего иногда ее неправильно называют 45-градусной Амичи), не требует серебрения ни одной из граней и часто используется в астрономических диагоналях. Ход света внутри стекла в 3(!) раза больше чем у АР-90.

Угол излома оси
Тут все просто. Мейнстрим - диагонали ломающие ось на 90 градусов, хотя встречаются диагонали с изломом 45 и 60 градусов. Последние однозначно предназначены для инструментов с большей частью ориентированных на наземные наблюдения. Астрономические диагонали это только 90 градусов! 45-градусные и 60-градусные не избавляют от неудобств при наблюдениях вблизи зенита, требуют более высокой (и соответственно шаткой! треноги).

Изменение ориентации изображения
Ориентация изображения меняется в диагоналях попутно. В общем-то в этом нет особенной необходимости. Астрономические объекты не имеют верха или низа и изображение повернутое на 180 градусов (как в Ньютоне или без диагонали в рефракторе) не особенно напрягают астрономических наблюдателей. Но простейший излом оси на 90 градусов (одним отражением) приводит к зеркальному оборачиванию изображения, изрядно затрудняя ориентацию (сличением рисунка звезд с тем что на обычной поисковой карте или в звездном атласе), но делая более привычным ориентацию земных объектов наблюдения (головой вверх, хотя и с перепутанными левой и правой сторонами). Такое зеркальное оборачивание обеспечивают все зеркальные диагонали и простые призменные - на базе прямоугольной призмы (АР-90). Призмы с "крышей" - Амичи или Шмидта "с крышей" позволяют довернуть обернутое телескопическое изображение еще на 180 градусов превращая его в прямое, привычное для земных наблюдений (верх-низ и право-лево на своих местах).

Поглощение заднего фокального отрезка
Диагонали "съедают" часть заднего отрезка телескопа (вынос фокусе). При их подборе следует иметь это ввиду: диагонали слишком прожорливые на задний отрезок могут не позволить сфокусироваться (фокусеру телескопа может не хватить хода внутрь). зеркальные диагонали "съедают" отрезок примерно равный длине катета их корпуса + высота посадочной втулки. Это примерно 60-75 мм для 1.25" диагоналей и 100-125 для 2" формата. У диагоналей на основе прямоугольной призмы эти числа немного меньше: 50-65 мм и 90-115 мм для 1.25" и 2" соответственно. А для призм с крышей - напротив, заметно больше (из-за более длинного хода света внутри таких призм): 70-85 мм и 125-150 мм для 1.25" и 2" призмы Амичи; 85-95 мм для 1.25" Шмидта с крышей.

Влияние диагоналей на качество изображения

Диагональ как всякий опциональный оптический элемент вносит некоторые искажения в изображения.

Потери света
Потери света на диагоналях делают изображение чуть темнее.
Простая зеркальная диагональ с алюминиевым зеркалом с защитой монооксидом кремния может поглощать до 20% падающего света (особенно в синем цвете). При качественно выполненном покрытии в среднем по визуальному диапазону алюминий с защитой отражает 85-90% от падающего света. Эта цифра сильно "играет" от производителя к производителю.
Диагональ с "улучшенным" алюминиевым зеркалом сокращает потери света до 5%. Но устойчивость таких покрытий к неблагоприятным погодным факторам (перепады температуры, повышенная влажность) несколько меньше (склонны к коррозии).
Серебряное зеркало с защитой может сократить потери света до 2-3%. К сожалению, устойчивость такого покрытия в погодным факторам невысока.
Для диэлектрических зеркал декларируется эффективность отражения 98-99%! К сожалению, и тут не без проблем. Это процент для луча параллельного оптической оси. Чем больше угол падения светового луча на зеркало отличается от 45 градусов, тем меньше эффективность диэлектрических зеркал. То есть крайние лучи (ближе к краю апертуры) светосильных телескопов отражаются с меньшей эффективностью и суммарный процент потерь возрастает, отличаясь от декларируемого. Кроме того, даже самая тонкая пленка загрязнения способна существенно ухудшить условие для интерференции снижая эффективность зеркал.
Призмы с их полным внутренним отражением смотрятся много лучше. Источник потерь света это отражение на ее входной и выходной грани. Без просветляющего покрытия эти потери составляют до 8%. Простейшие хорошо освоенные в производстве просветляющие покрытия (одно- и двухслойные) снижают потери призмы примерно до 3%. А более эффективные многослойные покрытия снижают потери на отражение до 1-1.5% Примерно на этом же уровне находятся потери на поглощение в стекле: хорошее стекло поглощает не более 1%, бюджетный вариант поглотит 2-3% - зависит от длины пути света в призме и качества стекла.

Светорассеивание
Светорассеивание снижает контраст изображения.
Алюминиевые зеркала (как с защитой, так и "улучшением") склонны к повышенному рассеиванию света на микродефектах этого металлического покрытия. Несколько меньший уровень светорассеивания у диэлектрических зеркал. Значительно меньше - у призм с многослойным просветлением. Ну а минимальное светорассеивание - у призм от производителя с репутацией (с качественной шлифовкой/полировкой) и простейшим просветлением.

Хроматизм и прочие аберрации
Все призмы вносят аберрации, прежде всего хроматизм и сферическую. Эти аберрации тем больше, чем больше путь света, который он проходит в стекле. Минимальный путь свет проходит в 1.25" диагонали на основе простой АР-90 - это примерно 24-25 мм. Больше в 2" призме: 40-45 мм (зависит от размера призмы). В призме Амичи ход света на 70% больше, чем в АР-90. А в призме Шмидта с крышей в три раза больше! Кроме того, чем больше светосила (более быстрая, короткофокусная оптика), тем больше проявления вносимых аберраций. Вот табличка влияния длины ходя света в стекле призмы и светосилы оптики телескопа на полихроматический критерий Штреля взвешенный для ночного зрения:
Длина хода в призме1:61:81:10
25 мм0.780.920.96
35 мм0.670.870.90
45 мм0.600.810.88
55 мм0.560.760.85
65 мм0.520.710.83
75 мм0.470.670.81
На всякий случай - у оптической системы приемлемой по критерию Рэлея Штрель равен 0.81 и ни один ее отдельный оптический элемент (тем более вспомогательный) не может быть ответственен за всю сумму аберраций. То есть хорошая призма не должна сама по себе понижать Штрель до значений порядка 0.88-0.90.
Из таблички же видно, что простая прямоугольная призма АР-90 с типичным для 1.25" ходом в стекле (25 мм) в светосильном (1:6) телескопе вносит уже неприемлемо большие искажения - Штрель падает ниже 0.81. Даже и в менее светосильном телескопе 1:8 она заметно снижает Штрель (критерий близок к 0.9), чтобы в сумме с остаточными аберрациями телескопа/окуляра качество изображения могло выпасть из критерия Рэлея. Только в телескопе 1:10 эта призма оказывается приемлемым вариантом.
Эта же призма в 2" формате (ход света 45 мм) даже и в 1:10 вносит искажения сравнимые с остаточными аберрациями прочей оптики (Штрель 0.88). Понятно, что призмы с еще большим ходом света (например, 2" Амичи или даже и 1.25" Шмидт с крышей с ходом более 75 мм) вносят совершенно неприемлемый уровень хроматизма во всем рассмотренном диапазоне светосил.
Так что габаритные призмы и призмы с полным оборачиванием (с крышей) едва-ли могут применяться при наблюдениях критичных к качеству оптики, вроде наблюдений планет, особенно в мало мальски светосильных системах.

Деформация волнового фронта
Отражение волнового фронта от зеркала (играет-ли его роль отражательная грань призмы или наружная поверхность традиционного зеркала) весьма чувствительно к отклонениям плоскости зеркала от идеала. Эти дефекты возникают (1) при полировке плоскости, (2) при эксплуатационных деформациях (весовых и при перепадах температуры). Даже легкая выпуклость (вогнутость) плоского зеркала при наклонном падении световых пучков приводит, кроме появления небольшой расфокусировки, и к астигматическому дефекту световых пучков. Дефекту тем большему, чем шире световой пучок при встрече с дефектной плоскостью. Зеркала (в силу их меньшей толщины) сильнее призм восприимчивы к наполировыванию дефектов при изготовлении, призмы дольше реагируют на температурные перепады (ввиду большей инерции). Кроме того при внутреннем отражении (как у призм) дефекты отступления от плоскости влияют сильнее примерно в 1.5 раза, чем дефекты зеркал внешнего отражения (как у зеркальных диагоналей).
Многослойные покрытия (как у диэлектрических зеркал) провоцируют возникновение больших тангенциальных (поверхностных) стягивающих усилий и возникновению коробления зеркал. Это деформация невелика, но она способна серьезно повлиять на качество отраженных оптических пучков.

Два важных замечания по призмам с "крышей" (Амичи и Шмидта)
  • Эти призмы весьма чувствительны к точности исполнения 90-градусного угла "крыши". При самом малом отступлении от 90 градусов призма начинает двоить - изображения звезд в более или менее широкой полосе вдоль ребра крыши начинают двоиться, что особенно хорошо видно при использовании короткофокусных окуляров. Эффективное наблюдения планет и двойных становится невозможным. Такое явление очень распространено - редкая призма "с крышей" не страдает от такого дефекта.
  • Даже идеально изготовленный 90-градусный угол крыши все равно является источником дифракционного дефекта - звезды (опять-же в более-менее широкой полосе поля зрения вдоль ребра призмы) обзаводятся дифракционными "усами" отбрасываемыми в две противоположные стороны - перпендикулярно ребру "крыши". Без специального компенсирующего покрытия на одном из граней призмы примыкающих к ребру "крыши" такой дифракционный артефакт становится весьма назойливым (особенно вокруг ярких звезд и планет). Такое компенсационное покрытие называемое "фазовым" давно уже стало почти обязательным атрибутом для призм биноклей (с прямыми трубами, в которых также используется призма с "крышей"), но изготовители астрономических гаджетов фазовое покрытие до сих пор не наносят.


Оптическая неоднородность материала
Призмы требуют высочайшей оптической однородности стекла. Небольшие градиенты показателя преломления (оптической плотности) бюджетного плохо отожженного стекла приведет к деформации волновых фронтов. Зеркала свободны от этого дефекта. Чем больше объем призмы и длиннее ход света внутри ее тем выше вероятность что оптическая неоднородность стекла окажет существенное негативное влияние.

Ответить