Как юстировать рефрактор

[Ernest]

Юстировка рефрактора по звезде

Большинство современных приличных рефракторов имеют так называемую юстируемую оправу, в которой каждая из линз рефрактора может смещаться в небольшом зазоре под действием трех или четырех установочных винтов (металлических или полиэтиленовых) с головкой под отвертку с прямым шлицем или под шестигранник, винты эти обычно М4 и прячутся внутри резьбовых отверстий по боковой поверхности оправы. При смещении линзы она скользит вдоль поверхности контакта с другой линзой (обычно эта поверхность задается тремя точечными прокладками по периметру одной из линз или тонким кольцом-проставкой между линзами). Если объектив был отъюстирован, то это смещение линз между собой приводит к сдвигу изображения и появлению аберраций децентрировки - комы и/или поперечного хроматизма на оси изображения. И наоборот - в случае, если объектив был разъюстирован (а такое с рефракторами случается), удачное смещение одной линзы относительно другой может привести к вводу аберрации децентрировки с такой-же величиной и противоположным знаком - то есть обнулить (скомпенсировать) аберрации децентрировки.

Надо иметь ввиду существование рефракторов с юстируемой оправой, которая может под управлением трех пар юстировочных винтов регулировать в небольшом диапазоне положение оптической оси объектива относительно оси трубы телескопа и таким образом, например, снижать влияние астигматизма на качество изображения в центре поля зрения. Данная статья не об этом.

Вводная часть

refr-adjust.PNG (15.82 КБ) 13771 просмотр

На рисунке схематически изображена типичная ситуация юстировки рефрактора по звезде (лучше по искусственной) - рефрактор с зеркальной или призменной (без крыши) диагональю, установлен в монтировке наведен на подобранную звезду так, чтобы окулярный узел смотрел вверх, возможно более вертикально. Бленда, которая перекрывает доступ к юстировочным винтам снята. Юстировочные винты расположены через 120 градусов (то есть их три группы, хотя довольно часто они расположены через 90 градусов - в четырех группах). Труба (точнее оправа объектива) сориентирована таким образом, чтобы одна группа юстировочных винтом расположилась строго сверху (смотрит в ту же сторону, что и окуляр). Две других группы расположены справа-снизу (правая группа) и слева-снизу (левая группа) - это если смотреть на них сзади, от окуляра как это обычно бывает при юстировке по звезде. В центре поля зрения окуляра при достаточном увеличении (1.5-2D) в разъюстированном рефракторе мы видим большее или меньшее проявление комы. В поле зрения мы также можем ориентироваться выделяя верхнюю его часть (которая направлена в сторону объектива), правую и левую часть, низ (противоположно верху).

На этом же рисунке приведены и типичные оптические схемы однокомпонентных рефракторов: дублетов (из двух линз) и триплета (из трех линз) - по традиции слева направление на объект наблюдения, справа - направление на окулярный узел трубы. Первая схема - дублет с собирающей первой линзой - наиболее распространена. По ней делают как обычные ахроматы, так и многие ED-апохроматы. Реже встречается схема дублета отрицательной линзой вперед - по ней делают апохроматы с более капризным ED-стеклом, которое прячут от внешнего воздействия за отрицательным компонентом из более устойчивого стекла. И, наконец, более продвинутые апохроматы делают по схеме триплета с положительной линзой из ED-стекла между двумя отрицательными компонентами. Не будем останавливаться на достоинствах и недостатках этих схем - это не суть данной статьи. Важно понимать что объектив однокомпонентного рефрактора состоит из двух или трех линз (одна из них собирающая - положительная, другая или две - рассеивающие или отрицательные), ну и соотнести одну из этих схем с инструментов, который вы собираетесь юстировать. Юстировочные винтики упираясь в края своих линз позволяют выбирать небольшой юстировочный зазор в оправе вводя юстировочные подвижки в положение линз.

Процедура юстировки

Юстировка рефрактора по звезде состоит в повторении следующий действий:

1. наводимся на звезду, рассматриваем ее при большом увеличении (1.5-2D). Например, 150-200 крат для 100 мм рефрактора.
2. выискиваем следы комы: нет-ли большего или меньшего увеличение яркости ореола с одной стороны от яркого центрального ядра изображения, при большом значении комы мы увидим типичную веерообразную форму аберрационного пятна с яркой вершиной и более тусклым 60-градусным сектором более тусклого "хвоста". При минимальном проявлении мы увидим однобокое усиление яркости первого дифракционного кольца (- все что осталось от хвоста). Если следов комы нет прекращаем юстировку.
3. оцениваем ее величину и направление хвоста,
4. выбираем направление (см. второй рисунок) и величину юстировочной подвижки (число оборотов или угол поворота юстировочных винтов),
5. вводим подвижку: откручиваем один или два юстировочных винта давая зазор для подвижки, и затем вкручиваем один или два выбирая его, смещая таким образом выбранную линзу поперек оси,
6. возвращаемся ко второму пункту повторяя наши попытки отъюстировать телескоп...

Труднее всего (мне во всяком случае) подобрать главный юстировочный винт и направление в котором его надо крутить. После многих мучений с "методом тыка", я посчитал знаки вносимой комы в зависимости от юстировочной подвижки и составил для себя следующую номограмму, чтобы уменьшить затрачиваемое время и сделать юстировку более целенаправленной:

ref-adjust-dia.PNG (13.59 КБ) 3083 просмотра

В каждом из шести фрагментов я совместил изображение звезды в центре поля зрения окуляра (с сильно утрированным влиянием комы) и оправу рефрактора (как она видна сзади, от фокусера) с тремя юстировочными винтами: верхняя часть оправы совмещена с верхней частью поля зрения, правая сторона оправы с правой стороной поля зрения и т.д.

Как пользоваться этими номограммами?

Рассмотрим первую (литера А): обнаруженная нами кома в центре поля зрения смотрит вершиной вниз (наблюдателю в живот), веером вверх (в сторону объективного конца трубы). Если мы наметили для юстировки положительную линзу (знак "+") то мы должны ввести подвижки юстировочными винтами по стрелкам в направлениях обозначенных знаками "+": сначала выкрутить правый и левый, а затем вкрутить верхний юстировочный винт на оправе. Если для юстировки выбрана отрицательная (рассеивающая) линза, то при вращении юстировочных винтов на оправе следуем направлениям стрелок обозначенными знаком "-": верхний винт выкручиваем, правый и левый винты - вкручиваем.

То-же самое и с другими направлениями комы. Например, кома смотрит вершиной вправо (веером влево) - как на втором рисунке во втором ряду (литера Е). Оставляем верхний винт без движения, работаем только правым и левым винтами: если юстировка происходит винтами толкающими отрицательную линзу: правый винт немного выкручиваем (ослабляем), левый - вкручиваем (выбирая зазор, оставленный правым винтом). Для положительной линзы - все наоборот.

Несколько важных замечаний

• Чтобы понять положительную или отрицательную линзу вы двигаете - соотнесите порядок расположения отверстий отюстировочных винтов с одной из схем представленных выше и знаниями о конструкции своего инструмента. Имейте ввиду, что в некоторых случаях отверстия юстировочных винтов могут скрываться под матерчатой тесьмой (по которой смещается бленда);
• Помните, что перед вкручиванием юстировочного винта (винтов) надо дать слабину выкрутив один или два противостоящих, то есть на каждом шаге юстировки сначала выкручивайте, затем вкручивайте;
• Не перекручивайте винты - останавливайтесь, если почувствуете существенное сопротивление;
• Если аберрационная картина приобрела рисунок далекий от вида комы (астигматизм, какие-то неправильные дифракционные лучи) - возможно дело в пережатии - просто ослабьте последний затянутый винт и так по кругу - пока искажения не сменятся классическим видом комы;
• Если требуемая подвижка не может быть осуществлена - винт уперся, а кома все ни как не уменьшается, это значит, что юстировочный зазор в оправе выбран и надо оставить эту линзу в покое и перейти к другой.
• Поаккуратнее со шлицами полиэтиленовых винтов - их легко сорвать прикладывая слишком большое усилие или не полностью вставив отвертку.
• По окончании юстировки выберите зазоры - подтяните по кругу все винты до легкого контакта со стеклом. Только поаккуратнее, чтобы не сбить достигнутую юстировку. Проверьте вид изображения звезды. Полезно повернуть трубу в кольцах на 180 градусов, чтобы убедиться что линзы не болтаются в зазоре с оправой и это не приводит к появлению чрезмерной комы (избавиться от нее совсем во всем температурной диапазоне использования телескопа, возможно, и не получится).
• Если вы юстируете без диагонали, следуйте следующему правилу: на отрицательную линзу надо давить юстировочным винтом со стороны хвоста устраняемой комы, на положительную - со стороны ее вершины. А вот если вы юстируете с установленной призмой прямого зрения (с "крышей"), то тут все наоборот: для устранения проявлений комы на отрицательную линзу надо давить юстировочным винтом со стороны вершины (более яркой части) аберрационного пятна, на положительную - со стороны хвоста
• Отъюстировав свой рефрактор по коме не забудьте проверить не наюстировали-ли вы себе поперечный хроматизм увеличения: при этом изображение звезды растягивается в спектр обзаводясь красноватым боком с одной стороны и синеватым - с другой. Особенно хорошо такой поперечный хроматизм выявляется с использованием UHC фильтров: изображение звезды раздваивается на яркое голубое и тусклое красное. В дуплетах это может быть признаком того, что воздушный зазор между линзами имеет клиновидную форму и без разборки с подгонкой равнотолщинности прокладок между линзами по периметру не обойтись. Но в триплетах с большим количеством степеней свободы есть шанс избавиться от небольшого поперечного хроматизма переюстировкой с подборкой сдвига среднего (положительного) компонента.

[Ernest]

Юстировка объектива TAL100R

История

Недавно мне в руки попала труба TAL100R с подозрениями владельца на наличие комы разъюстировки и просьбой помочь ему избавиться от нее. Даже самый поверхностный тест показал, что вполне очевидная кома в центре поля зрения действительно имеет место. Моя оценка - примерно 1/3 дл. волны, см рисунок:

TAL100.6.png (3.45 КБ) 10858 просмотров

Эта кома, по моему опыту, уже оказывает значимое влияние на тонкую детализацию при наблюдениях планет. Разборка трубы показала, что объектив TAL100R - типичный ахромат с парой линз собранных методом насыпной сборки. Оправа объектива несла на себе следы неквалифицированного вмешательства в конструкцию, очевидно в попытках избавиться от комы. В частности, были видны риски на оправе и трубе, были добавлены три альтернативных резьбовых отверстия для крепления оправы к трубе. Владелец уверил меня, что это не он, а труба была куплена у официального представителя НПЗ. Если это так, то похоже, труба - возврат с последующей перепродажей в качестве новой. Кто пытался юстировать - трудно сказать, или первый покупатель, или какой-то из умельцев при представительстве. В любом случае толку от этого вмешательства было не много.

Конструкция оправы

Оправа объектива очень простая, см. фото с эскизом сечения:

Цилиндр оправы имеет внутри поясок (буртик), на который с одной стороны опирается торец трубы, а с другой - задняя поверхность второй линзы дублета. Эта линза (рассеивающая, флинтовая, отрицательная) зафиксирована в своей посадке по-простому - клеем. Фронтальная (первая, кроновая, положительная, собирающая) линза дублета отделена от второй линзы воздушным промежутком, который формируется тремя тонкими (0.35 мм) металлическими опорами (размер примерно 5х1.5 мм) приклеенными к стеклу у края второй линзы. Фронтальная линза по результатам заводской юстировки была зафиксирована относительно оправы компаундом-герметиком в трех точках (через три технологических продолговатых отверстия в оправе). Три потайных юстировочных винта использованных при заводской юстировке после засыхания компаунда выведены из соприкосновения с боковой поверхностью передней линзы. Стопка линз дополнительно фиксируется спереди резьбовым кольцом.

Схема базирования линз в оправе

Прежде чем юстировать надо было (1) выковырять компаунд, который лишал подвижности переднего линзового компонента объектива, (2) разобраться со схемой базирования, ошибки в которой и могли привести к упомянутой коме и только после этого выработать подходы к юстировке. Первое оказалось довольно простой задачей - герметик оказался мягким, легко удаляемым и его было не много.

А вот моя реконструкция схемы базирования объектива TAL100R.

TAL100.5.PNG (26.94 КБ) 10858 просмотров

Сборка объектива осуществляется в оправу снаружи (со стороны падения света при эксплуатации), начиная со второй линзы.

Базирование (второй по ходу света) отрицательной линзы
Вторая линза своей более плоской задней рабочей поверхностью опирается на кольцевой поясок оставленный внутри оправы, то есть на плоскость, которая отнимает три степени свободы у линзы: возможность смещения линзы вдоль оптической оси и наклонов в двух взаимно перпендикулярных направлениях. При биении этой базы (неперпендикулярности) относительно оси трубы/оправы или при плохом прилегании линзы (из-за заусенца или какого-то механического мусора) ось объектива будет наклонена к оси трубы и мы увидим на оси проявления астигматизма, тем большего, чем больше неперпендикулярность (наклон линзы). Зависимость квадратическая, то есть небольшие ошибки терпимы, но начиная с некоторого уровня проявления астигматизма нарастают все больше и больше. Обычно для купирования этой ошибки в классических рефракторах предусматривались три юстировочных винта, которые позволяли наклонять объектив как целое относительно оси трубы. В этом объективе такой подвижки нет - производитель надеется на точность выполнения механических баз по допускам.

Еще две механические степени свободы (смещения с оси в двух взаимно перпендикулярных направлениях) отнимаются посадкой второй линзы (по нерабочей цилиндрической поверхности) внутрь цилиндра оправы. Линза предварительно центрируется так, чтобы боковая цилиндрическая поверхность была соосна ее оптической оси (линии соединяющей центри кривизны двух рабочих поверхностей). Ошибка этого центрировки и игра в зазоре посадки линзы в оправу приводит к появлению остаточного астигматизма в центре поля зрения. Опять, производитель понадеялся на то, что выдерживание допусков обеспечит его (и владельца инструмента) от появления астигматизма.

После посадки отрицательной линзы (и возможно проверки ее положения на коллиматоре) она была зафиксирована относительно оправы клеем.

Воздушный промежуток между линзами
Параметры воздушного промежутка между линзами (центрировка и заданная толщина) обычно гарантируется тонким металлическим (иногда пластиковым) колечком между линзами. Некоторые производители экономят на этой детали, заменяя такое кольцо тремя раздельными опорами расположенными между линзами у их края (вне световой зоны). В оправе TAL100R производитель пошел по этому, к сожалению, далекому от надежного пути. Опоры должны быть зафиксированы (обычно клеем) строго на одном расстоянии от оси линзы и быть в точности одной толщины (с учетом возможных заусенцев, клеевого слоя, деформаций). Эти требования довольно трудно выполнить в случае раздельных опор (в отличие от кольцевой детали). Ошибки в расположении опор, их толщине, разница в толщине клеевого слоя, которым они фиксируются на линзе, приводит к появлению комы в центре изображения и появлению сферической аберрации.

Базирование передней линзы
Фронтальная линза таким образом базируется своей второй рабочей сферической поверхностью на три опоры приклеенных к отрицательной линзе. От бокового смещения эту линзу в нашем случае удерживали вначале концы трех юстировочных винтов, а потом - компаунд. Децентрировка передней линзы из-за биения в зазорах посадке, ошибки юстировки, усадки компаунда при высыхании (при условии что она лежит на указанных опорах) приводит к наклону передней поверхности линзы относительно оси, что приводит в первую очередь к появлению так называемого "светофора" (поперечного хроматизма) в центре поля зрения, а при больших значениях также и комы, астигматизма.

Силовое замыкание сборки
И, наконец, вся стопка из пары линз и промежуточного кольца (трех опор) поджимается спереди резьбовым кольцом, которое обеспечивает силовое замыкание - в частности плотный прижим первой линзы к трем опорам для выдерживания параметров воздушного промежутка между линзами. Обычная рекомендация конструкторам - делать такое кольцо разрезным - пружинящим, чтобы оно не составляло конкуренции базированию по трем промежуточным опорам на второй линзе. Но некоторые производители (в том числе и НПЗ в рассматриваемой оправе) идут на упрощение и делают это резьбовое кольцо жестким, из-за чего при касании кольца с передней поверхностью линзы в общем случае сначала в одной точке, происходит не осесимметричное давление на линзу, которое может вызвать ее смещение - отрыв от одной из опор в воздушном промежутке, образованию клиновидности и как следствие - комы в центре поля зрения. Думаю, что в заводских условиях при юстировке передняя линза поджимается пружинным кольцом, которое заменяется на обычное (с которым труба отправляется в продажу) уже после того как компаунд зафиксирует результаты юстировки.

Юстировка в домашних условиях

Анализ схемы базирования показал место особого внимания - воздушный промежуток между линзами. Требуется подогнать расположение и толщины трех прокладок между линзами таким образом, чтобы устранить клиновидность воздушного промежутка - это единственный возможный источник комы обнаруженной в центре поля зрения. Прокладки из светлого металла типа алюминия толщиной 0.35 мм и размерами 5х1.5 мм выполненные очень неаккуратно с заусенцами, разной формы лицевой и изнаночной стороны. После отклеивания прокладок от рассеивающей линзы, одна из прокладок расслоилась на две (возможно эта двойственность и была источником комы? но вначале я этому значения не придал). Я обточил прокладки на мелком наждаке (что было трудно ввиду их малости), проверил толщину микрометром и наклеил цианакрилатным клеем через 120 градусов по периметру положительной линзы (это было удобнее, так как отрицательную линзу извлечь из оправы не представлялось возможным).

Как контролировать клиновидность воздушного промежутка между линзами
Далее надо было найти быстрый способ проконтролировать воздушный промежуток на предмет наличия клиновидности. Потому как тестировать после каждой итерации в подгонке прокладок по натуральной или искусственной звезде значило бы сильно замедлить процесс юстировки. GMK коллиматор оказался слишком грубым инструментом - двоения бликов от смежных поверхностей линз в нем не было заметно. Картинка колец Ньютона (даже и при освещении когерентным источником) не читалась. Я попробовал использовать лазерный коллиматор - пятно отражения от интересующих меня поверхностей воздушного мениска оказалось слишком большим - его двойственность (из-за искомой клиновидности) обнаружить было нереально. Но вот что интересно - в этом большом отраженном пятне явственно читалась полосатая структура. Интерференция из-за разности хода лучей отраженных от поверхностей воздушного мениска! После нескольких попыток я нащупал следующую схему тестирования: объектив (вне трубы) укладывается на пол, луч лазера (зеленой указки) направляется вертикально вниз в объектив, а все самое интересное происходит на потолке - в дополнение к двум компактным и ярким мало мне интересным бликам от передней и последней поверхностей объектива появляется довольно крупное полосатое пятно - результат интерференции света отраженного от поверхностей воздушного мениска между линзами.Это пятно вырезает часть интерференционной картины с кольцами Ньютона. Если просканировать лучом лазера всю площадь объектива будет видна вся картина Ньютона в том числе и ее центральная часть. В общем случае (при наличии искомой клиновидности воздушного промежутка) центральная часть смещена с оси объектива. Лазерным лучом я нащупываю такое его положение на объективе, при котором в описанном пятне пропадают полосы интерференции, то есть лазерный луч попал в "мертвую зону" - центр колец Ньютона и указывает таким образом реальную вершину воздушного мениска.

Подгонка прокладок
Вначале центр воздушного мениска был смещен к самому краю линзы. Помечаю эту точку и корректирую толщины прокладок там, чтобы приподнять переднюю линзу у этого края (ну или наоборот - немного опустить - у противоположного). Корректировку толщины в минус делал соскобами металла с прокладок, корректировку в плюс - наклейкой на прокладку кусочка тонкого скотча. После примерно 5-6 попыток центр колец Ньютона потихоньку переполз на оптическую ось объектива. Довольно муторное занятие - при каждой итерации надо уложить линзу на место (без закручивания резьбовым кольцом и фиксации юстировочными винтами), перенести объектив на пол у стенки (стенка служит для базирования лазерной указки на подставке), поймать на потолке полосатый блик от лазерной указки, найти такое положение лазерного луча на объективе, при котором блик сместится в центр картины колец Ньютона, пометить это положение и вернуть объектив на рабочий стол для дальнейшей коррекции толщин прокладок.

Помывка и сборка
Во время описанной выше возни залапал переднюю линзу - ее пришлось в конце процедуры помыть спиртом. После мойки оправа объектива была возвращена на трубу телескопа.

Устраняем поперечный хроматизм
Далее наступил черед коррекции поперечного положения передней линзы юстировочными винтами. Это уже делал по изображению звезды (Полярной) - благо выдалось пару ясных ночей. В исходном состоянии - резьбовое кольцо отпущено на пол оборота, винты чуть не доходят до контакта с боковой поверхностью линзы, постукиванием по трубе добиваюсь осаживания линзы на опоры прокладок (труба смотрит на Полярную - круто вверх). В окуляре при увеличении 225х вижу изображение Полярной с дифракционным рисунком без признаков комы, но изрядно подпорченное поперечным хроматизмом - красный и синий ореолы разошлись в разные стороны от центрального изображения. Красный бок в изображении звезды указывает направление в котором надо юстировочными винтами смещать изображение звезды по полю зрения, чтобы отъюстировать объектив. Небольшими пробами ищу комбинацию винтов, которые могут осуществить такое смещение изображения звезды. И подобранным винтом (винтами) понемногу начинаю двигать линзу, следя за изменением вида звезды. Если появляются признаки комы - линза ушла из контакта с какой-то из опор - надо открутить малость винты, которые мешают свободного движению линзы (с противоположной стороны от того/тех которым мы добиваемся юстировочного смещения линзы) и постукиванием по трубе вновь осадить линзу (дать ей опять улечься на прокладки). Таким образом не без чертыхания мне удалось добиться осесимметричности цветного ореола (без разноцветных "ушей"). Получилась подпорченная хроматизмом картинка Эйри с преувеличенной яркостью первого дифракционного кольца и туманным умеренно протяженным сине-красным ореолом.

Фиксируем результат
Осталось зафиксировать полученный результат. Сначала до легкого касания с боковой поверхностью линзы вкручиваются юстировочные винты с противоположной стороны (от последнего активного), чтобы линза встала в поперечном направлении. Если при этом изображение звезды использованной для юстировки сильно ушло с центра поля зрения - возвращаем его туда вращением юстировочных винтов, следя за тем чтобы не пережать линзу и не поднять ее над прокладками (что приведет к появлению комы - см. выше). Потом осторожно закручиваем резьбовое кольцо до первого контакта с линзой - опять же следя, чтобы это не вызвало перекоса в положении линзы (звезда сместится и появится кома) - этого очень трудно добиться используя штатное жесткое резьбовое кольцо - мне понадобилось несколько попыток (каждый раз с возвратом на предыдущий этап юстировки). Лучше вместо этой муторной процедуры сразу зафиксировать достигнутое положение передней линзы тремя порциями герметика в боковые прорези оправы и только дождавшись, когда он схватится (на следующий день) - поджать резьбовое кольцо и отжать на пол оборота юстировочные винты.

Выводы и рекомендации

Юстировка TAL100R была для меня интересной как своего рода ребус и на 100% оправдала мою любовь к преодолению сложностей. В конце-концов после нескольких дней поисков и мучений метод юстировки был найден, осуществлен, а качество изображения улучшилось. Тонкая детализация предметов наблюдения на больших увеличениях стала видна контрастнее. Должно быть немного выросло проницание, хотя спутник Полярной как до, так и после юстировки различался одинаково уверенно.

Конструкция оправы объектива TAL100R (как и у большинства рефракторов) не приспособлена для внезаводской юстировки и вместо того, чтобы заниматься ею в кухонных условиях (см. выше - текст не передает и трети всех сложностей, которые потребовалось преодолеть), лучше найти выходы на поддержку со стороны НПЗ - отослать им разъюстированный объектив как он есть, пусть они доведут его до ума сами. Думаю, что при известном упорстве владельца это вполне возможная процедура. Главное быть уверенным в том что разъюстировка (или заводская недоюстировка) имеет место. Тут уже владелец должен уметь производить оценку качества изображения своего инструмента по звезде (http://astro-talks.ru/forum/viewtopic.php?f=18&t=98) и описывать видимые дефекты изображения в понятных для оптиков терминах.