Обзор 1.25" корректора атмосферной дисперсии (ADC) от ZWO
Проблема
На пути света от астрономических объектов к объективу телескопа на него воздействует такое явление как атмосферная рефракция. Падая под углом отличным от отвесного падения свет преломляется на условной границе земной атмосферы и космоса. См. рисунок. То есть угол между направлением на астрономический объект и линией горизонта (угловая высота объекта наблюдения над горизонтом) отличается от истинного направления на объект наблюдения. Угловая разница между истинным и атмосферным направлением на объект наблюдения тем больше, чем ближе объект наблюдения к горизонту. Так при угловой высоте объекта наблюдения 30 градусов атмосферная рефракция приведет к тому, что истинное направление на объект будет примерно на 100 угловых секунд ниже. При высоте 20 градусов истинное направление будет ниже на 156 угловых секунд. При высоте 10 градусов истинное направление будет ниже на 320". Тот же объект, который мы видим на горизонте (как Солнце или Луна во время восхода) без Земной атмосферы был бы под горизонтом на 35 угловых минут.Кроме очевидных плюсов (длительность дня немного дольше из-за более раннего восхода и несколько более позднего захода Солнца) атмосферной рефракции у нее есть и минусы. Самый значимый из них в том что свет преломляясь на границе атмосферы претерпевает дисперсионное расщепление. Красные лучи (коэффициент преломления воздуха для них меньше) меньше преломляются, синие лучи (для них показатель преломления воздуха больше) преломляются сильнее. В итоге синее изображение астрономического объекта мы видим немного выше над горизонтом, чем красное (зеленое изображение между ними). Звезды вытягиваются в спектрик синим вверх, планеты обзаводятся синим ободком сверху и красным - снизу + несколько замыленное изображение по диску планеты (из-за переналожения друг на друга изображений разного цвета). Это явление называется атмосферной дисперсией или разностной атмосферной рефракцией.
Дисперсия вроде бы и не велика - около 1.4 угловой секунды при высоте наблюдаемого светила над горизонтом 45 градусов, 2.5" при высоте в 30 градусов, до 4" при высоте 20 градусов над горизонтом. Но сравнивая с пределом углового разрешения в 0.7" весьма среднего любительского телескопа с апертурой 200 мм мы видим, что проблема становится значимой для большей части небесной сферы и для большинства любительских инструментов.
Инструмент
Atmospheric Dispersion Corrector (корректор атмосферной дисперсии) от ZWO - сравнительно недорогое окулярное устройство формата 1.25" для установки перед окуляром или приемником изображения с целью компенсации атмосферной дисперсии при наблюдениях планет/Луны/Солнца с предельным разрешением.Вот пример изображения звезды на высоте 20 градусов над горизонтом без корректора и с ним.
Принцип работы Главным узлом корректора являются два оптических клина с небольшим углом клиновидности (порядка 2 градусов), которые устанавливаются последовательно с минимальным промежутком перпендикулярно оптической оси перед фокусом телескопа. Клинья этой составной призмы могут быть развернуты относительно друг-друга так, что в сумме образуют плоско-параллельную пластинку (с нулевым суммарным преломлением падающего на них света) или (при развороте на 180 градусов) призму с удвоенным углом, когда угол преломления падающего на них света достигает максимального значения. При промежуточной взаимной ориентации клиньев между этими двумя положениями угол суммарного клина варьируется от нулевого до удвоенного. Такая составная призма кроме отклонения оптической оси на угол порядка 4-5 градусов, благодаря дисперсии стекла, еще вносит и поперечный хроматизм (по разному преломляя красные и синие лучи).
Для компенсации атмосферной дисперсии надо развернуть составную призму-корректор основанием вниз, так чтобы дисперсия призмы оказалась по знаку противоположна атмосферной дисперсии и подобрать (взаимным разворотом клиньев) действующий угол составной призмы таким образом чтобы величина суммарного поперечного хроматизма обнулилась. При правильном подборе ориентации основания суммарной призмы и величины взаимного разворота клиньев может быть достигнута полная компенсация влияния атмосферной дисперсии (поперечного хроматизма).
Следует обратить внимание на особенности этой схемы компенсации: имеется заметный сдвиг изображения - уход осевой линии с центра кадра или полевой диафрагмы окуляра, нарушается условие телецентричности - световые пучки падают на приемник (полевую диафрагму окуляра) не перпендикулярно их плоскости.
Альтернативные методы компенсации
Существуют схемы корректора атмосферной дисперсии, которые не нарушают телецентричность световых пучков (пара призм с переменным расстоянием между ними) и/или не приводят к сдвигу осевой точки изображения (пара дисперсионных призм Амичи), но делают корректор более дорогостоящим и громоздким. См. к примеру http://www.gutekunst-optiksysteme.com/
При визуальных наблюдениях, смещением (децентрировкой) глаза наблюдателя относительно выходного зрачка окуляра, когда тонкие световые пучки из окуляра входят в глаз через внеосевую зону роговицы глаза, вносится заметный поперечный хроматизм, что (1) обязательно надо принимать во внимание при наблюдениях с предельным разрешением, (2) можно использовать для компенсации атмосферной дисперсии. Но тут требуется известный опыт и аккуратность.
При астрофотографии возможно взаимное смещение голубого, зеленого и красного каналов при пост-обработке цветных или по-канальных снимков, что используется в том числе и для частичной компенсации атмосферной дисперсии. К сожалению, этот метод в смысле компенсации атмосферной дисперсии работает только частично, так как в рамках совмещаемых каналов дисперсия не исправляется. Предел улучшения разрешения - до 2 крат, и часто этого оказывается достаточно.
Обзоры
На русском
В журнале Sky at Night
На Клаудинайтс
Внешний вид и размеры
Корректор прибывает к покупателю в простенькой коробке из коричневого гофрокартона габаритами 125х87х76 и массой 146 грамм. Внутри между парой пенополиэтиленовых вкладышей лежит узел корректора. Внешне напоминает линзу Барлоу (с одной стороны посадочная втулка стандарта 1.25", с другой - втулка для окуляров 1.25"), только корпус с прорезями и с парой торчащих из них антенн-рукояток. Габарит узла: длина 85 мм, диаметр корпусной части 52 мм. Материал - черненый анодированный алюминий. Корректор комплектуется крышкой 317 на посадочную втулку и такого-же размера затычкой отверстия в окулярной втулке. При визуальных наблюдениях корректор подобно линзе Барлоу вставляется в окулярный тубус телескопа, а окуляр вставляется уже в окулярную втулку корректора. При этом в задний отрезок вносится удлинение около 55 мм (на эту величину надо будет утопить окулярный тубус по сравнению с наблюдением без корректора. После этого приступать к наблюдениям производить наблюдения.Общий вид
Гладкая (без предохранительной проточки) посадочная 1.25" втулка высотой посадочной части 27 мм крепится к корпусу корректора внешней Т2 резьбой (М42×0.75 мм). Внутри втулка проточена стандартной резьбой для окулярных фильтров и окрашена черным матовым. Окулярная втулка (стандарта 1.25") высотой 25 мм крепится к корпусу также наружной резьбой Т2. При этом на другом фланце втулки нарезана наружная резьба Т2, что делает возможным накручивания на него Т-кольца для присоединения фотоаппарата. Окулярная втулка оборудована компрессионным латунным кольцом и парой зажимных винтов М4.
Главное содержимое корректора - в более сложно устроенной корпусной части. Это цилиндр с прорезями по боковой поверхности. Внутри цилиндра - пара оправок призм-клиньев зажатые между парой резьбовых колец. Каждая из этих оправок может независимо друг от друга вращаться вокруг оси корпуса при помощи пары рычажков вкрученных в их оправы через прорези в корпусной части. Снаружи на корпусе находится подвижная шкала, по которой можно ориентироваться выставляя угол взаимного разворота компенсирующих клиньев. Шкала может зафиксирована полиэтиленовым винтом. световой диаметр клиньев корректора примерно 22.5 мм. Расстояние от клиньев до фокальной плоскости окуляров с нулевым параметром парфокальности примерно 37 мм.
Клинья покрыты традиционным китайским зеленым антибликовым покрытием. 3 блика в линию при разведенных рычажках (средний сдвоенный - более яркий). При совмещенных рычажках остается два сдвоенных блика. Качество покрытия как и оптических поверхностей выглядит вполне пристойно. рычажки ходят плавно, есть возможность менять усилие на них вкручивая и выкручивая их по резьбе. По этой же резьбе вкручивая рычажки можно и зафиксировать достигнутый угол разведения клиньев.
По частям: посадочная втулка корректора, призменный узел, окулярная втулка
При совмещении рычажков клинья разворачиваются так, что их компенсирующее действие обнуляется. По мере разведении рычажков компенсирующее действие усиливается. Вносимый поперечных хроматизм направлен по линии соединяющей концы рычажков. Таким образом устройство при наблюдениях следует ориентировать в окулярном тубусе телескопа так, чтобы линия проведенная через концы рычажков на корпусе корректора совпала с вертикалью изображения в окуляре.
Управляющие элементы
Судя по моим оценкам, максимальный угол отклонения луча при прохождении системы клиньев ADC составляет примерно 4.5 градуса, то есть суммарный угол двух клиньев будет примерно 9 градусов, а действующий угол каждого из клиньев 4.5 градуса. Что-то великовато! Ну да много-не мало. Стало быть максимальный угол дисперсии вносимой корректором составляет примерно 4.5° * 60'/64 = 4.4' (угловых минут), где 64 - коэффициента Аббе для К8. Или с учетом того, что до плоскости полевой диафрагмы окуляра 37 мм получается что максимальный поперечный хроматизм, который вносит этот компенсатор составит примерно 50 мкм или для фокусного расстояния телескопа в 1000 мм это составит примерно 10 угловых секунд в пространстве наблюдаемых объектов - с большим запасом для наблюдений на высотах более 10 градусов. Очень грубо можно считать, что на одно большое деление шкалы компенсатора приходится порядка одной угловой секунды атмосферной дисперсии (для короткофокусных телескопов больше, для длиннофокусных - меньше).
В фотографическом режиме плоскость изображения находится примерно на 50 мм дальше и действие компенсатора усиливается более чем в двое.
При этом надо иметь ввиду следующее:
- вносимый поперечный хроматизм связан с шкалой нарисованной на корпусе корректора нелинейно: вначале действие нарастает быстро, а по мере разведения рычажков прирост действия (вносимого поперечного хроматизма) замедляется
- корректор производит наклон плоскости изображения, максимальное значение наклона составляет 4.5 градуса - это приводит к разнознаковой расфокусировке в верхней и нижней половинах поля зрения
- внесение компенсирующего поперечного хроматизма смещается осевая точка объектива с оси окуляра, в максимуме коррекции при визуальных наблюдения почти на 3 мм, а при фотографических так и на все 7 мм - это приводит к появлению комы в центре поля зрения неапланатических систем (Ньютон без корректора, классические ШК).
Тестирование
Корректор был протестирован в следующих отношениях: вносит-ли он сколь-нибудь заметное ухудшение качества изображения при нулевом угле коррекции, насколько удобно регулируется степень коррекции поперечного хроматизма и насколько хорошо компенсатор справляется со своей задачей - коррекцией атмосферной дисперсии. В качестве носителя был использован бывший в то-же время на тестировании Альтер М703 (180 мм Максутов-Кассегрен), качество оптики которого не вызывало сомнений.Сначала по искусственной звезде (в 600 метрах от телескопа) я погонял корректор на предмет паразитного бликования и возможной деградации качества изображения. Увеличение более 300х. Узел внес существенную расфокусировку, которую пришлось долго выбирать вращением ручки фокусировщика. В фокусе - все тот же слабо возмущаемый атмосферой знакомый дифракционный рисунок изображения звезды, которое строит Альтер со следами сферической аберрации высшего порядка. Ни дополнительных ореолов, ни дополнительной деформации дифракционных колец. Внефокалы так-же практически не изменились с вводом ADC в оптический тракт. Ни на большом, ни на обзорном увеличении (16 мм Наглер) я не заметил паразитного бликования на четырех дополнительных плоских поверхностей.
Потом я покрутил ручки корректора внося большую и меньшую степень поперечного хроматизма. Изображение звезды послушно растягивалось в спектр красным вверх синим вниз. Интересно было пробовать взаимокоменсацию поперечного хроматизма, который вносится корректором и тем что вносится децентрировкой глаза относительно вых. зрачка. Получается, хотя и в ограниченном диапазоне - децентрировкой глаза оказалось возможным компенсировать поперечный хроматизм корректора только при разведении рычажков на угол не более трех малых делений на его шкале. Достигнутая таким образом взаимная компенсация совершенно удаляла следы поперечного хроматизма возвращая изображению исходный дифракционный вид.
Интересен вид дифракционного изображения звезды слабо возмущенной поперечным хроматизмом (одно деление на шкале компенсатора) - окрашивание сверху-снизу еще не заметно, а вот центральный максимум (кружок Эйри) заметно деформируется превращаясь в эллипс вытянутый вверх-вниз, дифракционные колечки сверху-снизу как будто ластиком стираются, предельное разрешение заметно падает по вертикали.
Следующим вечером временами прояснялось и я имел возможность попробовать компенсатор атмосферной дисперсии по звездам в 30-40 градусах над горизонтом. С моего северного балкона наилучшим кандидатом для этого теста оказалась белая альфа Цефея. Атмосфера оказалась далекой от "хрустальной" - изображение звезды тянуло в лучшем случае на 3-4 баллов по шкале Пиккеринга, но следы поперечного хроматизма синим вверх были заметны. Компенсатор легко убрал этот хвост при разводе рычажком примерно на 2 с небольшим малых деления. Трудно было оценить насколько хорошо произошла компенсация - для этого надо дожидаться много более спокойной атмосферы.
В промежутках между тестами в телескопе, днем я сделал следующую серию фотографий для демонстрации работы клиньев по преломлению света.
Степени коррекции от минимальной до максимума
Вид через корректор
Ограничения на использования корректора в связи с вносимыми им аберрациями
Корректор при компенсации атмосферной дисперсии вносит собственные аберрации: сдвиг изображения поперек оптической оси, наклон плоскости изображения. И то и другое не слишком мешают (во всяком случае при визуальных наблюдениях). Но, к сожалению, он так-же вносит астигматизм и кому, особенно сильные в светосильных телескопах и при низком положении наблюдаемого объекта над горизонтом.Вот небольшое исследование на эту тему: viewtopic.php?f=3&t=4460&p=89030#p89034
Выводы и рекомендации
Интересный гаджет! В наших условиях наблюдений планеты никогда не бывают в зените, то есть их изображения всегда немного смазаны поперечным хроматизмом атмосферной дисперсии... Конечно, это не главный враг в достижении предельного разрешения. Тепловая нестабильноcть оптики телескопа и атмосферы, остаточные аберрации и разъюстировки телескопа, неудачный окуляр - более сильные игроки в плане замывания контрастов на дисках планет. Но тогда, когда атмосфера волшебным образом стабилизируется, телескоп достигнет долгожданного теплового равновесия, под рукой окажется настоящий планетный окуляр, а аберрации оптики телескопа окажутся исчезающе малыми... последней преградой к достижению детализации окажется именно атмосферная дисперсия! - И тут ADC окажется к месту... И, если при визуальных наблюдениях игра децентрировкой глаза еще может помочь с компенсацией небольшого поперечного хроматизма, то фотографу планет без этого устройства не стоит мечтать о достижении предельной детализации.Однако, надо иметь ввиду, что ZWO ADC это средство погони именно за самыми последними процентами контраста изображения и при этом он не свободен от собственных проблем: при малых высотах над горизонтом (когда приходится компенсировать большой поперечный хроматизм) клинья уже вносят заметные артефакты в изображение (см. выше), которые ограничивают его применимость/эффективность. Для уменьшения вносимых корректором искажений (прежде всего астигматизма) имеет смысл устанавливать перед ADC линзу Барлоу.
Так что это не столько волшебная палочка, сколько последняя соломинка...
См. также интересное последующее обсуждение: viewtopic.php?f=3&t=4460