Добро пожаловать на наш астрономический форум! 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.

Аберрации окуляра

Описания элементарных аберраций оптических изображающих приборов, методов их обнаружения и компенации
Ответить
Аватара пользователя
Ernest
Основатель
Сообщения: 11299
Зарегистрирован: 12 окт 2009, 10:55
Откуда: Санкт-Петербург, Бухарестская, д.33, к.1
Контактная информация:

Аберрации окуляра

Сообщение Ernest » 08 ноя 2015, 14:16

Аберрации окуляров

Окуляр - классический пример широкоугольной и даже сверхширокоугольной оптики. Световые пучки, которые проходят через окуляр, узкие - 1-6 мм в диаметре (иными словами их апертура сильно ограничена, сравните с объективами апертурой 200-300 мм и более), но попадают в него через довольно большую площадь полевой диафрагмы - диаметром от нескольких миллиметров до 40 мм и более, и покидающих его веером с углом расходимости от 40 до 120 градусов.

В итоге окуляры демонстрируют прежде всего большое разнообразие полевых аберраций (астигматизма, кривизны, хроматизма увеличения и т.д.) и в много меньшей степени апертурные (как сферическую аберрацию, хроматизм положения и т.д.), которым уделяется такое большое внимание при изготовлении объективов телескопов.

Рассмотрим проявления аберраций как они проявляются в окулярах в порядке их характерности для окуляров (по мере нахождения подходящего иллюстративного материала буду добавлять фотографии и зарисовки).

Астигматизм


- самая характерная для окуляра полевая аберрация. Изображение звезды испорченное сильным астигматизмом выглядит как эллипс, который при перефокусировках меняет свою форму и ориентацию. При следовых значениях аберрации дифракционное изображение картинки Эйри имеет большее или меньшее усиление яркости первого дифракционного колечка по четырем азимутам.

В наилучшем положении фокусировщика, когда аберрационное пятно минимально, изображение звезды округлое или ромбообразное, часто за счет дифракционных явлений оно может сопровождаться крестообразной лучевой структурой. При вращении ручки фокусера в одну сторону это пятно изображения звезды (при наличие астигматизма) начнет вытягиваться в меридиональном направлении (оно проходит через центр поля зрения). При некотором значении расфокусировки аберрационное пятно становится просто черточкой (при прохождении сагиттального фокуса), а потом снова начинает "полнеть" проходя стадию все более и более округлого эллипса. При вращении ручки фокусировщика в другую сторону от оптимального положения кружок изображения звезды вытягивается уже в сагиттальном направлении - перпендикулярном меридиональному. При достижении некоторой величины расфокусировки изображение звезды становится похожей на черточку вытянутую вдоль края диафрагмы, то есть мы достигли меридионального фокуса. Если продолжать расфокусировку далее, то "черточка" продолжит растягиваться и полнеть превращаясь в эллипс.

Величина астигматизма однозначно характеризуется тем расстоянием на которое смещается фокальная плоскость от сагиттального до меридионального фокуса (смещение окуляра вдоль оптической оси между изображениями звезды в виде I и в виде --) - это величина так называемого продольного астигматизма. Чем величина продольного астигматизма меньше, тем меньше и вред наносимый астигматизмом изображению.

Дополнительный фактор - светосила (относительное отверстие) объектива телескопа. Более светосильный (скажем 1:4-1:5) телескоп делает астигматизм окуляра (как и почти все остальные аберрации) заметнее, более "медленный" объектив телескопа (скажем, 1:10-1:15) напротив - маскирует проявления астигматизма до почти незаметных.

Если у наблюдателя нет проблем с глазами, то астигматизм в центре поля зрения окуляра проявляется только как результат пережатия оптики телескопа (деформации его зеркал) или ее разъюстировки. Обычно, этот астигматизм не велик и его источник вне окуляра. Классический-же астигматизм третьего порядка в центре поля зрения нулевой (ни как не проявляется) и квадратично (ускоряясь) нарастает к краю поля зрения окуляра. Скажем, если на полпути от центра к краю поля зрения аберрационное пятно астигматизма составляет 10 угловых минут, то на краю поля зрения оно увеличится в 4 раза - до 40 угловых минут. В сверхширокоугольных окулярах обычен астигматизм высшего порядка с более сложным поведением по полю зрения. Например, астигматизм может при удалении от центра поля зрения сначала нарастать, потом обнуляться, менять знак и прогрессивно (быстрее, чем квадратично) нарастать у края поля зрения.

Картинка поля зрения окуляра при наличии только астигматизма (кликабельно)
astigmatism.PNG
Астигматизм глаза наблюдателя при инструментальных наблюдениях проявляется одинаково по всему полю зрения тем сильнее, чем больше диаметр выходного зрачка (и соответственно меньше увеличение). На увеличениях близких к предельным (1.5D-2D) дифракция доминирует и влияние астигматизма глаз уже становится не заметным. Отсюда правило - на малых и средних увеличениях наблюдателю с сильным астигматизмом его глаз следует использовать свои очки (или контактные линзы) с цилиндрическими линзами и позаботиться об окулярах с увеличенным выносом выходного зрачка. На больших и сверхбольших увеличениях в использовании очков корректирующих астигматизм (как и окуляров с преувеличенным выносом выходного зрачка) уже большой нужды нет.

Кривизна поля зрения


- еще одна очень распространенная полевая аберрация окуляра родственная астигматизму.

Кривизна поля зрения проявляется в виде большей или меньшей расфокусировки изображений звезд по полю зрения в сравнении с изображением звезды в центре поля зрения. То есть при наличие кривизны поля зрения, если как можно точнее сфокусироваться по звездам в центре поля зрения, то звезды ближе к краю поля зрения окуляра будут рафокусированы тем больше, чем дальше звезда от центра поля зрения. При этом в отличие от проявлений других аберраций, есть возможность вращая ручку фокусера сфокусировать внеосевые изображения звезд (в ущерб звездам в центре поля зрения). Изображение звезды испорченное кривизной выглядит как равномерно яркий круг большего или меньшего диаметра, возможно с круговым дифракционным узором. Иногда в результате виньетирования кружок расфокусировки может иметь эллиптичную форму, но в отличие от астигматизма этот эллипс при перефокусировках не меняет своей формы и ориентации. Величина кривизны характеризуется смещением фокусировщика (самого окуляра или фокальной плоскости относительно окуляра), которое требуется для продольного смещения от положения наилучшей фокусировки в центре поля зрения и до наилучшей фокусировки на краю поля зрения (или на той зоны, для которой производится оценка величина кривизны поля зрения).

Кривизну окуляра надо отличать от кривизны поля зрения объектива телескопа, которая наиболее характерная для короткофокусных рефракторов и особенно докучлива при использовании 2" окуляров. Для оценки кривизны поля зрения окуляра следует избегать их тестирования в короткофокусных рефракторах.

Подобно астигматизму - кривизна поля зрения в центре поля зрения нулевая, а по мере удаления от него к краю она нарастает квадратично. Если на половине поля зрения пятно кривизны составляет 10 угловых минут, то на краю поля зрения оно вырастет до 40 угловых минут.

Картинка поля зрения окуляра при наличии только кривизны (кликабельно)
curtvature.PNG
Кривизна в сочетании с астигматизмом

Собственно вид чистого астигматизма (без кривизны поля зрения) выглядит как нарастание диаметров кружков расфокусировки к краю поля зрения. Причем без игры фокусировщиком отличить эту аберрацию от кривизны трудно (см. выше). Но обычно, астигматизм всегда сочетается с большей или меньшей кривизной поля зрения. Если поверхность сагиттальных фокусов более плоская, чем поверхность меридиональных фокусов, то мы видим в окуляре картину типичную для так называемого "меридионального астигматизма": изображения звезд вытягиваются в черточки направленные к центру поля зрения тем более длинные, чем звезда ближе к краю поля зрения. И наоборот, если более плоской является поверхность меридиональных фокусов, то мы видим в окуляр картину типичную для так называемого "сагиттального астигматизма" - звезды вытягиваются в ширину - касательно краю поля зрения. То есть сагиттальный или меридиональный астигматизм это сочетание примерно равной кривизны и астигматизма разных знаков.

Картинка поля зрения окуляра с особыми случаями сочетания астигматизма и кривизны
special.PNG
special.PNG (9.92 КБ) 2037 просмотров

Хроматизм увеличения

- хроматическая полевая аберрация, которая в изображении звезды обычно проявляется в виде цветного хвоста направленного в сторону центра поля зрения или к краю поля зрения.

При первичном хроматизме увеличения изображение звезды как бы вытягивается в спектр в меридиональном направлении (обычно синим к центру поля зрения, красным к его краю). Спектрик, в который вытягивается изображение звезд (с естественным расположением цветов: синий-голубой-зеленый-желтый-красный), тем заметнее (длиннее), чем ближе изображение звезды к краю поля зрения. Иногда более заметен только один их хроматических хвостов - синий или красный, в сторону края поля зрения или в сторону центра. У ярких точечных объектов вроде Венеры или яркой звезды на краю поля зрения эту аберрацию заметить легче. Если протяженный яркий объект вроде Луны расположен по центру поля зрения окуляра, то хроматизм увеличения будет ответственен за хроматическую (красноватую или реже синюю) кайму по его краю.

При вторичном хроматизме увеличения хроматический спектрик из обычного радужного превращается в зеленоватый с одной стороны и пурпурный (с возможным преобладанием синего или красного) - с другой. Соответственно и хроматическая кайма вокруг диска Луны при вторичном хроматизме увеличения может быть или зеленоватой или пурпурной.

Вид звезд в поле зрения окуляра при наличии хроматизма увеличения
lateral_color.png
Для того, чтобы отличить хроматизм увеличения от хроматизма положения (доминирует в изображении рефракторов) можно обратить внимание на реакцию аберрации на перефокусировку. Цветной ореол хроматизма положения при перефокусировках меняет цветовой тон. Ореол из-за хроматизма увеличения не реагирует на игру фокусировщиком.

Следует отличать поперечный хроматизм плохо отъюстированного объектива рефрактора или атмосферную рефракцию от хроматизма увеличения. Поперечный хроматизм (или "светофор") искажает изображение звезды так же, как и хроматизм увеличения. Но хроматизм увеличения окуляра нулевой в центре поля зрения и его проявления линейно нарастают по мере удаления от центра поля зрения. А поперечный хроматизм равно проявляется по всему полю (в том числе и в центре).

Проявления хроматизм увеличения, как и поперечного хроматизма почти никак не зависят от апертуры или светосилы объектива телескопа.

Кома

- кома - апертурно-полевая аберрация - равно характерна как для некоторых типов объективов (Ньютон, ШК), так и для окуляров. В окулярах кома низкого порядка, как правило, исправлена, но по полю (особенно в сверхширокоугольных окулярах) обычно всегда присутствует остаточная кома высшего порядка, которая искажает проявления астигматизма и кривизны.

Типичным проявлением комы является широкий веер монохромного хвоста в сторону центра поля зрения или в обратную от более яркого ядра в изображении звезды. Если полевые аберрации астигматизма и кривизны размазывают свет в аберрационном пятне более-менее равномерно, то кома оставляет яркое ядро изображения, а вот яркость ее хвоста монотонно падает удаляясь от ядра. Часто от веер комы виден в виде V-образной фигуры. При перефокусировках хвост комы не меняет направления. Кома окуляра проявляется тем сильнее, чем больше светосила объектива телескопа. В центре поля зрения у окуляров комы не бывает, ближе к краю поля зрения вероятность обнаружить кому значительно выше. Признаки комы в центре поля зрения - признак проблем с юстировкой оптики объектива телескопа.

Надо отличать кому окуляра от полевой комы Ньютона. Проявления комы свойственной Ньютону и Шмидту-Кассегрену линейно и монотонно растут от центра к краю поля зрения. Хвост комы этих объективов всегда направлен к краю поля зрения. Кома окуляра более вариативна - ее проявления могут резко вырасти начиная с какой-то кольцевой зоны поля зрения, хвост может быть направлен в сторону центра.

Сочетании астигматизма и комы приводит к появлению разнообразных и порой забавных аберрационных фигур, например в виде куриной лапки. Но при всем многообразии этих сочетаний следует помнить, что кома ответственна за деформацию изображения звезды зеркальную относительно только меридионального направления, а аберрационные пятна астигматизма и кривизны симметричны относительно обоих направлений (и сагиттального, и меридионального) - любая несимметрия в изображении звезды относительно сагиттального направления может быть связана только с присутствием комы.

Кома в окулярах часто проявляется в хроматическом виде. Такое случается, когда для лучей разного цвета коррекция комы по полю зрения различна. В итоге изображение звезды может обзавестись синей (реже - красной) "бородой" - веером хроматической комы направленной к центру или краю поля зрения.

Вид звезд в поле зрения окуляра при наличии полевой комы
coma.png
coma.png (9.49 КБ) 1981 просмотр

Дисторсия

- одна из самых малозначимых для наблюдательной астрономии полевая аберрация. При этом дисторсия одна из наиболее типичных полевых аберраций широкоугольной оптики, какой являются окуляры. В отличие от всех прочих она ответственна не за падение уровня разрешения или контраста, а только за искажение формы и (в незначительной степени) яркости наблюдаемых объектов.

Дисторсия приводит к тому, что при сканировании богатого звездами участка неба создается впечатление, что они нанесена на вогнутую или выпуклую поверхность шара. По мере перемещения объектов в поле зрения их видимая форма или расстояния между ними испытывает изменения - создается неприятная иллюзия их взаимного смещения или перекатывания по неровной поверхности. При сильной дисторсии диски планет у края поля зрения могут из круглых превращаться в овальные. Положительная (подушкообразная) дисторсия приводит к тому что ближе к краю поля зрения расстояния между объектами увеличиваются (в меридиональном направлении) по сравнению с центральной зоной, а круглые диски планет вытягиваются в сторону края поля зрения. Отрицательная (бочкообразная) дисторсия приводит на краю поля зрения к уменьшению видимых угловых расстояний между объектами, а круглые диски планет сжимаются в направлении края поля зрения.

Подобно хроматизму увеличения проявления этой аберрации никак не зависят от апертуры или светосилы объектива телескопа - они будут равно заметны и в Ньютоне 1:4 и в Максутове-Кассегрене 1:15.

Если график величины дисторсии от полевого угла имеет большие отрицательные значения первой производной (что обычно случается у самого края поля зрения), то это может приводить к повышению яркости соответствующей зоны изображения (опять-же - обычно у края поля зрения).

Сферическая аберрация в выходном зрачке

- это аберрация лучей, которые строят не изображение наблюдаемого объекта, а выходного зрачка телескопа.

При сильной сферической аберрации в выходном зрачке положение выходного зрачка для края поля зрения не совпадает с положением выходного зрачка для "зоны" (кольцевой области поля зрения, например, на пол-пути от центра к краю) настолько, что край зрачка глаза наблюдателя при смещении с оси окуляра сначала срезает лучи "зоны", а уже потом края и центра поля зрения. В итоге, поле изображения затеняется (виньетируется) начиная не с края поля зрения, а с зоны - в поле зрения окуляра появляется фасолеподобная темная область в которой изображение перестает быть видимым. Разрастание этой черной "фасолины" очень быстрое и трудноуловимое - крайне нервирует неопытных наблюдателей.

Следует отличать сферическую аберрацию в зрачке от простого срезания поля зрения из-за неудачного положения глаза наблюдателя. Зрачок глаза наблюдателя должен быть по возможности точнее совмещен с выходным зрачком окуляра - как по расстоянию от глазной линзы окуляра, так и по центрированию относительно продолжения оптической оси окуляра. При достаточно большом смещении от этого положения (наглазники помогают фиксировать глаз относительно окуляра) край зрачка глаза начинает срезать лучи, которые строят изображение сначала края поля зрения, а потом и всего поля зрения. Но в отсутствие сферической аберрации в выходном зрачке такое срезание происходит постепенно и обычно достаточно понятным для наблюдателя образом.

Хроматизм положения в выходном зрачке

- еще одна аберрация лучей, которые строят изображение выходного зрачка телескопа.

Из-за сильного несовпадения положения выходного зрачка для красных и синих лучей может получиться так, что при неудачном положении глаза наблюдателя некоторые части поля зрения могут окрашиваться оранжевым или голубым тоном. Наиболее яркий пример так называемое "оранжевое кольцо" по краю поля зрения в окулярах Наглера тип-5 (хотя в нем, возможно, большую роль играет хроматическое виньетирование).

Сферическая аберрация

- апертурная монохроматическая аберрация, которая мало свойственна окулярам.

При наличие этой аберрации в центре поля зрения изображения звезд окружены ореолами, которые невозможно уменьшить перефокусировкой. При попытке фокусировки на фоне уменьшающегося в диаметре ореола резко начинает расти диаметр яркого ядра в изображениях звезд. Сферическая аберрация равно проявляется по всему полю зрения окуляра - не зависит от полевого угла наблюдаемого объекта. При наличие сферической аберрации перефокусировка в одну сторону от наилучшего фокуса дает вокруг звезд диффузный ореол, а в другую - резкий, яркий кольцевой ореол. Обычно, сферическая аберрация наводится объективом телескопа, а не окуляром. Если же сравнением вида изображений звезд в равные по фокусному расстоянию окуляры выявлено, что именно окуляр ответственен за сферическую аберрацию, то это может свидетельствовать о грубой ошибке его сборки (ошибка в ориентации какой-то из линз).

Хроматизм положения

- апертурная хроматическая аберрация, которая так-же редко проявляется в окулярах.

При наличие этой аберрации звезды в центре поля зрения окружены синим, пурпурным или зеленоватым ореолом при этом цвет ореола должен зависеть от положения ручки фокусера. При большой расфокусировке изображения яркой звезды или планеты круг расфокусировки имеет цветную кайму - различного цвета при разном направлении расфокусировки. Обычно эта аберрация свойственна длиннофокусной оптике рефракторов, окуляры, особенно короткофокусные мало страдают от нее.

Прочие характеристики и параметры окуляра разобраны в статье "Окуляр" viewtopic.php?f=17&t=146

Ответить