Вопросы по прикладной оптике

[Билонг]

Добрый день всем.
Тема "вопросы обо всем" отмучилась, похоже . Есть предложение делать более узкоспециализированные "обо всем".
Вот у меня вопрос к уважаемым знатокам. Типичное распределение многих аберраций поперек апертуры у несложной системы линз, судя по хрестоматиям - это "крыло чайки", см.рисунок (голубая линия, чисто качественная иллюстрация). Если мы добавляем предфокальный отрицательный компонент - попросту ЛБ - может ли получиться так, что "чайка махнет крыльями" вверх или вниз? Например, те же аберрации получат U-образное распределение по радиусу (красная линия на рисунке)? Или наоборот, центр резко вылезет?
Вопрос сугубо практический так-то. Развлекаясь с барлушкой и с перестановкой местами предфокальных компонентов TMB planetary, заметил, что при некоторых сочетаниях центр-зона получались не хуже, а то и получше исходного варианта, а край улетал в хлам. В некоторых случаях это никак не мешает наблюдать мелочевку по центру, где она еще и хорошего качества. Хорошо бы лучше понимать, что происходит.

[Ernest]

Аберраций вообще не бывает. Есть апертурные аберрации (сферическая, кома, хроматизм положения и т.п.) и полевые (кривизна, астигматизм, хроматизм увеличения, дисторсия). Барлоу ввиду близости к фокусу мало влияет на апертурные аберрации, внося большей частью полевые - прежде всего кривизну изображения и астигматизм. Причем ввиду простой схемы ЛБ вносит полевые аберрации низкого 3-го порядка.

Полевые аберрации в типичных астрономических объективах не скомпенсированы и имеют параболический ход графиков.

А вот окуляры - подобно ЛБ полевые оптические системы: в них расчетчик в первую очередь уделяет коррекции полевых аберраций. Для хода графиков кривизны/астигматизма сложных окуляра (от Эрфле и сложнее) характерно сочетание аберраций 3-го и 5-го порядка с разным знаком, что дает ваше "крыло чайки".

В отношении коррекции полевых аберраций ЛБ в сочетании со сложным окуляром ведет себя подобно слону в посудной лавке - вносит кривизну (и отчасти астигматизм) низкого порядка, что разрушает коррекцию аберраций окуляра. Что несколько компенсируется снижением действующей апертуры.

Ваша иллюстрация создает впечатление, что размах аберраций с и без ЛБ примерно одинаков, только перераспределяется по полю. На самом деле - "крыло чайки" это кривая которая колеблется вокруг нуля, в то время как ЛБ просто и грубо уводит эту кривую по параболе сильно вдаль от нуля. См. ниже.

[Билонг]

Понял, спасибо, Эрнест. Я так и предполагал.
Не спорю, увод "грубый", но даже на Вашем рисунке примерно до 50% радиуса красная и голубая почти равны по абсолюту, только разные по знаку. Я это и имел в виду - R50 "хорошие", а край никакущий. А можно, скажем, R70 подобрать почти в ноль (голубая сдвинется в сторону красной), пожертвовав краем.
И, кстати, тот же TMB без предфокального - уже довольно простая система. Т.е. замена предфокалки, при разных длинах середины окуляра и одинаковом осн.блоке, это просто ее сдвиг ближе-дальше, тут уж дейст-но "чайка крыльями машет".
А куда должен уходить график (вниз или вверх от голубого, на Вашем рисунке), скажем, при увеличении разгона, т.е. отдалении ЛБ от окуляра?

[Skyangel]

Эрнест, вопрос к тебе .. Есть вроде как комплект оптики для менискового кассегрена. Главное 40мм диаметр, фокус -85мм. Мениск вроде как к нему.. Радиус поверхностей мениска определил примерно 20мм (фокус - 10мм). Можешь прикинуть оптическую схему, хотя бы приблизительно? Расстояние м/у компонентами..

[Билонг]

Эрнест, вопрос прямо к Вам, хотя так-то общий.
ЕМНИП, не так давно Вы прохладно высказались об асферике в окулярах. Так-то вообще асферика уже много где попадается, и в навороченных (особенно супер-светосильных) объективах, и контактных линзах, и т.д. В чем с ней проблема? Или даже у лучших производителей, при равном технологическом уровне, сегменты сфер получаются точнее, чем всякие псоиды и болоиды, и одна-две "лишних" сферо-линзы в итоге предпочтительней?

[Ernest]

Сферические поверхности небольших линз примерно на порядок(и) технологичнее (дешевле в производстве), чем асферика. За одну установку шлифуется/полируется пара десятков линз. Асферика требует индивидуального формирования, которое с приемлимыми для ширпотреба затратами достигается пока только штамповкой полимера. Полимерные (и даже композитные - полимер по стеклу) линзы имеют скверную оптическую однородность, плохо неконтроллируемую усадочную деформацию после остывания. Полимер легко царапается. Разнообразие оптических свойств у полимерных композиций сильно ограничено (ни тебе тяжелых/лантановых стекол, ни ED). Ну и просветляющее покрытие по полимеру не особенно хорошо ложатся.

В случаях, когда заказчик "за ценой не постоит" асферика вполне решает проблемы - позволяет уменьшить число линз на одну-две или (что важнее) улучшить качество изображения. Как правило это военная, научная и профессиональная изображающая (фотографическая) оптика.

[Билонг]

Возник вопрос к знатокам о корректоре комы, даже несколько.
Вот если для точной коррекции окуляр надо фиксировать с "недосылом", как Levenhuk Ra, то это для всех окуляров с одной парфокальностью одинаково? И для 1.25, и для обзорника 2"?
Для, например, f4 и f5 положение (недосыл) окуляра одинаковые? Или если корректор на f4, то в f5 окуляр будет уже в другом положении фиксироваться для наилучшей коррекции?
Кому окуляра корректор заодно исправит?

[Ernest]

Мне кажется я уже где-то отвечал на эти вопросы...
(1) для всех окуляров одной группы парфокальности эффективный задний отрезок после корректора одинаков
(2) этот отрезок в первом приближении не зависит от светосилы Ньютона - только от параметра парфокальности окуляра
(3) у окуляров обычно нет классической комы 3-го порядка, так что править там особенно нечего, но если бы была то на выходе результатом было бы векторное сложение комы Ньютона, комы (обратного знака), которую вносит паракорр, и комы окуляра.

[Билонг]

А как ВИЗУАЛЬНО различить кому 3го и прочих порядков? Вот смотрю и вижу махонькую птичку на краю поля, телескоп 1:13 (так что вряд ли это он), а у окуляра как раз должна быть кома, из Вашего же обзора (только там порядок комы не указан). Хвостов много, угол не 60 град, или как?

[Ernest]

Кома третьего порядка имеет параболическую зависимость от апертурного угла и линейную от полевого (2+1=3). Именно она и правится кома-корректором.
Такая кома низкого порядка легко исправляется и контролируется в любой сколь-нибудь сложной схеме окуляра. Кома окуляров которая наблюдается почти у всех широкоугольников более высокого порядка: например, имеет кубическую зависимость по полю, может иметь зависимость и от длины волны (разнонаправленные красный и синий хвосты). Хотя изображение звезды испорченное ей может выглядеть как классическая кома. Кома высшего порядка труднее поддаются контролю при оптимизации оптических схем.
Различие в коме Ньютона и окуляра происходит из-за того что Ньютон (как и все объективы телескопов) имеет очень небольшое угловое поле зрения и большую апертуру, а у окуляра поле шире на два порядка при ничтожной апертуре. Ньютон это апертурная оптическая схема (основные аберрации - апертурные, типа сферической, в том числе и высших порядков по апертурному углу, комы), а окуляр - широкоугольная оптика с разнообразными проявлениями прежде всего полевых аберраций (астигматизм, кривизна, дисторсия и... кома, включая высокие порядки по полевому углу ).

[Билонг]

С удивлением убедился, что существует несколько РАЗНЫХ графических схем, объясняющих природу комы (меня интересует ньютоновская). И даже рисунки самой комы - от серии кружочков, вписанных в птичку 60 градусов, до какого-то веера из петель в несколько рядов вроде ковровыбивалки . Живьем я все-таки птичку вижу, но вот кружки в ней... ммм...
Построил сам для ньютона - выходит, по смыслу это разная кривизна поля для разных кольцевых зон (это и есть "разное увеличение" для них же?).
Ладно, суть не в этом - скажите, товарищи, кома-корректор как-нибудь воздействует на кривизну поля? Вроде 2 отдельные аберрации по Зейделю, но все же..

[Ernest]

Нет, кома (нечетная аберрация) не имеет отношения к кривизне поля зрения (четной аберрации).
Если разлагать по кольцевым зонам, то кома (те самые "кружочки вписанные в птичку") это совокупность 3-го порядка дисторсии с первого порядка разнознаковой расфокусировкой.
Разница в топологии: зональная расфокусировка это кольцо, а зональная кома это сложенная вдвое восьмерка.

[Билонг]

Сложенная вдвое восьмерка - в смысле ее половинки проецируются друг на друга, но разделены промежутком по "высоте", т.е. сонаправленно опт.оси? Типа вираж на одной высоте - боевой разворот - вираж на другой высоте - обратно?

[Ernest]

двойная петля

[ёжик]

Живьем я все-таки птичку вижу, но вот кружки в ней... ммм...

В хвосте не очень сильной комы хорошо заметна интерференция в виде секторов колечек. Видимо отсюда про колечки пошло

[Билонг]

Колечки настоящие, граждане! Это от разных кольцевых зон с разным радиальным сдвигом и разным расфокусом. Только вот почему-то я думал, что это расфокус по типу кривизны поля - т.е. чем больше (дальше от центра) кольцевая зона, тем оно дальше от центрального луча и дальше от самого центра попадает, а рисунок именно колец (т.е.расфокус) уже связан с кривизной. На схеме, приведенной тут в ЧАВО (и кое-где в других источниках) видно расползание центров конусов по радиусу, но неочевидно, что еще и расфокус идет, т.е. из отдельно взятой схемы можно сделать вывод, что разные кольцевые зоны рисуют разные "точки" на этакой радиальной палочке. А это не точки, а все более растущие кольца.
Я вот и подумал, корректор комы должен не только сводить все вместе вдоль радиуса, но еще и устраняет переменный расфокус. Как ни раскину мозгами, а выходит, что он и на кривизну должен влиять - ну, может, не строго в десятку, но как-то стягивать все это хозяйство покомпактнее. Из обзора Эрнестом кома-корректора Левенгук я тоже вынес впечатление, что при подобранной глубине посадки окуляра корректор вообще все в маленький тугой комочек спихивает, не только кому.

[ёжик]

Никак кома на радиус кривизны не влияет. Если только линзы в корректоре не имеют обратной суммы петцваля. Случайно или намерянно

[Билонг]

Доброго всем.
Купил-таки кома-корректор Levenhuk Ra. Действительно, укорачивает эффективное фокусное окуляра на 12% где-то, "слегка барлоу", но поле не режет.
Но вот что вылезло со 100-градусными окулярами APM 9 и 13 мм в ньютоне 254/1200. Кому убивает, это да. Но вот получить по звезде точку в центре и на краю можно только с перефокусировкой. Без кома-корректора с точной фокусировкой в центре на краю была заметная кома, но ее головка выглядела резкой. Так и надо или я что-то не так делаю?

[Ernest]

Кома главного зеркала ушла, стала видна кривизна поля зрения окуляров... Безаберрационных окуляров не бывает.

[Билонг]

Так вроде бы в таблице окуляров эти 100-градусники помечены Ast, CA, Coma - и все. FC нету, т.е., по крайней мере, для них кривизна - не главное. Я как-то не ожидал, что она так резко проявится - если центр резкий, фокус к тому же на пределе "к себе" (в диапазоне аккомодации), то зона еще нормально, но самый край аж даже не пятнышко, а крохотное колечко дает.
А вот с Levenhuk Ra 28/82 корректировка комы заметна, хотя не так бьет в глаз, зато других артефактов не вылазит, все поле просто лучше, и все. Выходит, у него 40 мм поля более плоские, чем 15 и 23 мм у APM 9/100 и 13/100 соот-о?

[amateur]

Интересно, какие основные задачи решают при проектировании объектива для обычной (не для астрономии) фотокамеры в отличие от объектива для телескопа?
Очевидно, что в объективе фотокамеры много линз. Для исправления аберраций?
Значительно ли влияет условие конечного расстояния до наземных объектов?
Диафрагма в объективе фотокамеры уменьшает апертуру и соответственно оптическое разрешение?

[lx75]

Ответы на эти вопросы не описать несколькими предложениями.
Если интересно, почитайте одну из книг:
Волосов Фотографическая оптика
Запрягаева Расчет и проектирование оптических систем
Проектирование оптических систем (группа авторов)

[amateur]

Если интересно, почитайте одну из книг:
Волосов Фотографическая оптика

Спасибо! Уже в первых абзацах по коррекции аберраций нашёл ответ )

[Ernest]

"Интересно, какие основные задачи решают при проектировании объектива для обычной (не для астрономии) фотокамеры в отличие от объектива для телескопа?" - те же самые задачи. Объектив профессионального телескопа давно уже большой фотообъектив (астрограф). Глазами с окуляром уже не смотрят. Так что задачи расчетчика те-же. Единственное отличие это размеры и разрешение - фотообъективы компактны и работают далеко от дифракционного предела разрешения. Но зато и поле зрения у фотообъективов побольше - соответственно больший упор на полевые аберрации. Обычно больше относительное отверстие и соответственно больше высшие порядки аберраций.
Ну и еще одно отличие, которое делает расчет объективов фото- и видеокамер более сложным - расчет на массовые серии, когда параметры линз рассчитываются большей частью исходя из будущей технологичности объектива в производстве. При расчете оптики телескопа цена производства - малозначимый фактор, отсюда широкое использование сложных асферик.

"Очевидно, что в объективе фотокамеры много линз. Для исправления аберраций?" - в современном телескопе обычно линз не меньше. Минимум пара зеркал + сложный многолинзовый корректор поля зрения. Чем больше аберраций надо исправить (их тем больше, чем больше входная апертура, отн. отверстие и поле зрения), тем больше расчетчику требуется линз. В фотообъективах требуются доп. линзы на обеспечение зума, а в адаптивной оптике современных телескопов - дополнительные элементы с управляемой формой поверхности.

"Значительно ли влияет условие конечного расстояния до наземных объектов?" - нет

"Диафрагма в объективе фотокамеры уменьшает апертуру и соответственно оптическое разрешение?" - уменьшает входную апертуру и относительное отверстие, что в первую очередь уменьшает экспозицию (меньше света при той-же выдержке). В плане резкости изображения влияние диафрагмирования как правило не столь сильное: оно снижает проявления аберраций (как следствие - увеличивает глубину резкости), но и увеличивает проявления дифракции. Так что тенденции разнонаправленные: в начале диафрагмирования резкость как правило растет (существенное уменьшение остаточных аберраций при еще незначительный проявлениях дифракции), потом достигается некоторое плато (в пределах нескольких стопов разрешение почти не меняется), ну и при сильном диафрагмировании разрешение ухудшается (вследствие сильного роста дифракционных явлений).

[amateur]

Ernest, спасибо, очень интересно.
Просто я больше имел в виду любительский телескоп. Напр., в Ньютоне объектив состит из одного зеркального блина. Ну да, дальше уже, если необходимо, используют разные корректоры.
Фото увлекаюсь (тоже чисто любительски) с детства. Иногда смотрю обзоры техники. Интерсно наблюдать, как фотографы делают обозоры, на что обращают внимание. Для них, напр., диафрагма это просто инструмент для получения размытия фона и получения красивого боке . Как ЛА я смотрю уже совсем под другим углом.

Но для фотобъектива апертура ведь также "решает"?
Например, одно дело - глазок камеры смартфона и другое дело 58 мм или 72 мм объектива зеркальной камеры. Свет такой объектив соберёт больше, соотв-но лучше засветка матрицы, потребуется меньше усиления (меньше значение ISO).