Подбор окуляров

Из каких соображений выбрать фокусное расстояние окуляра?

Если на время забыть о линзах Барлоу и компрессорах, фокусное расстояние окуляра f'ок (мм) однозначно связано с увеличением телескопа Г и фокусным расстоянием объектива телескопа f'об следующей всем известной формулой:

Г = f'об/f'ок (1)

Таким образом выбор фокусных расстояний набора окуляров для конкретного телескопа это в первую очередь выбор разумного набора увеличений этого инструмента.

Увеличения телескопа должны лежать в диапазоне от D/7 до 1.5·D, где D - диаметр апертуры объектива телескопа в миллиметрах. То есть для трубы с диаметром объектива 100 мм (4") окуляры надо подбирать так, чтобы они обеспечивали увеличения примерно от 15х до 150х. Меньшие увеличения (с ними мы видим в окуляр телескопа больший участок неба) используются для поиска интересующих астрономических объектов и обзоров звездных полей, большие увеличения - для детального рассматривания заинтересовавших объектов (с большим масштабом и подробностями), средние увеличения могут оказаться оптимальными для разных классов объектов наблюдения.
Далее по тексту увеличения будут выражаться через диаметр (в мм) апертуры телескопа.

Диапазоны увеличений в зависимости от входной
апертуры объектива телескопа

Как видим максимальное "разумное" увеличение телескопа примерно в десять раз больше минимального и именно возможность смены увеличений заменой окуляров и отличает телескоп от подзорной трубы и бинокля.

Выходной зрачок окуляра

Наверное всем известно, что у телескопа есть апертура - диаметр светового пучка, который он способен принять на входе. Но не многие знают, что апертур на самом деле две. Входная - ограничивается диаметром так называемой апертурной диафрагмы объектива телескопа (обычно это оправа самого большого по чистому диаметру оптического элемента - главного зеркала рефлектора, первой линзы рефрактора, линзового корректора Шмидт-Кассегрена, мениска Максутова и т.д.). Но есть и выходная - это диаметр изображение входной апертуры после окуляра - так называемого выходного зрачка который будет входной апертурой для последующего приемника изображения (для глаза, например). Диаметр выходного зрачка d' очень важен при использовании телескопа, он равен входной апертуре деленной на увеличение телескопа
d' = D/Г, (2)
и входная апертура оптики после окуляра должна быть согласована с диаметром и положением (выносом) выходного зрачка. При визуальном наблюдении оптика после окуляра - глаз наблюдателя, зрачок которого должен быть по возможности совмещен с выходным зрачком телескопа и быть большего диаметра. Совмещение позволяет видеть без затенения (виньетирования) все поле зрения оклуляра, а больший диаметр зрачка не дает потеряться (отсечься) лучам от краев входной апертуры телескопа - то есть полностью использует светособирающую способность телескопа.

Минимальное (равнозрачковое) увеличение

Нижняя граница разумного диапазона увеличений ("равнозрачковое увеличение") определяется тем простым соображением, что диаметр выходной апертуры (зрачка) телескопа (окуляра) d' (см. выше) при некотором слишком малом увеличении становится уже больше диаметра обычного для ночных условий адаптированного зрачка глаза наблюдателя (7-8 мм - каждый может измерить диаметр своего зрачка сам) и апертура объектива телескопа используется не полностью. Часть света собираемого телескопом, таким образом, просто не попадает в глаз. Отсюда при d'max = 7 мм, из формулы (2) следует что минимальное (равнозрачковое) увеличение, при котором весь свет собранный входной апертурой телескопа попадает в полностью раскрытый зрачок глаза наблюдателя, равно Гmin = D/d'max = D/7.

Другое дело, что при увеличениях меньше равнозрачкового ценой некоторой потери в яркости изображения (проницания) может оказаться доступно большее поле зрения. И это часто оказывается важнее, чем небольшие потери света. Заметим так же, что днем размер зрачка наблюдателя раскрывается до диаметра 2-3 мм и, так называемое, "равнозрачковое увеличение" днем будет заметно больше ночного - около D/2.

Назначение небольших увеличений близких к равнозрачковым - получить в окуляре максимально большое видимое на небе поле зрения при максимальной яркости изображения. Это полезно для более легкой ориентации, поисковых работ, иногда - для того чтобы вместить в поле зрения очень уж большие объекты вроде кометы, туманности "Калифорния", туманности Андромеды (М31) и т.п.

Максимальное (разрешающее) увеличение

Верхняя граница рациональных увеличений или "разрешающее увеличение" была определена эмпирически и связана с влиянием дифракционных явлений. При росте увеличения уменьшается размер выходного зрачка телескопа и оказалось, что наивысшее разрешение достигается при выходных зрачках диаметром d'min порядка 0.7 мм и дальнейший рост увеличения не приводит уже к лучшей видности деталей (но уменьшает их число ввиду уменьшения поля зрения). По известной формуле 140'/d легко прикинуть размер диска Эри для глаза при входной апертуре 0.7 мм - он составит 200 угловых минут, что больше 3 градусов! При нормальной остроте зрения такой предел разрешения уже мешает восприятию изображения - рыхлое, мутное и неяркое изображение создает иллюзию уменьшения детализации. Применив еще раз формулу связи диаметров зрачков и увеличения получим Гmax = D/d'min = D/0.7 = 1.5·D. Увеличения большие, чем 1.5·D, имеют смысл при наблюдении сравнительно ярких и контрастных объектов, как более комфортные, особенно для людей с дефектами зрения (астигматизм, проблемы с сетчаткой), но следует помнить что чем больше увеличение, тем тусклее изображение.

Назначение разрешающего увеличения - дать возможность наблюдателю рассмотреть в наимельчайших деталях двойные звезды, диски планет, поверхность Луны. Обычно полезно иметь пару окуляров для двух разрешающих увеличений, скажем 1.4·D и более комфортное 1.8·D. При наблюдении тусклых объектов (планетарные туманности) или сильном влиянии турбулентности следует уменьшать используемое максимальное увеличение до 1·D.

 

"Проницающее" увеличение

Часто говорят об особой роли так называемого "проницающего" увеличения, которое достигается при выходных зрачках диаметром 1.5-2 мм, то есть 0.5..0.7·D, при котором как будто достигается наивысшее проницание (видны самые тусклые звезды) телескопа. При таких выходных зрачках предел дифракционного разрешения (140/dвых) примерно равен предельным разрешительным возможностям среднего глаза. За теоретическим обоснование этого факта, как и других изложенных здесь рекомендаций, советую обратиться к "Астрономической Оптике" Д.Д.Максутова. Проницающее увеличение применяется по шаровым и "тесным" рассеяным скоплениям, спутникам планет и т.п.

Ряд рекомендуемых увеличений и фокусных расстояний окуляров

Таким образом вырисовывается следующий ряд рекомендуемых увеличений:

• разрешающее второе 2·D под выходной зрачок 0.5 мм
• разрешающее первое 1.4·D под выходной зрачок 0.7 мм
• разрешающее дополнительное 1·D под выходной зрачок 1 мм
• проницающее первое D/1.4 под выходной зрачок 1.4 мм
• проницающее второе D/2 под выходной зрачок 2 мм
• равнозрачковое, поисковое D/7 под выходной зрачок 7 мм

Полезным дополнением будет увеличение в D/3..D/4 затыкающее очень уж большую дырку между проницающим и равнозрачковым увеличениями. Оно полезно для обычных по размерам для скоплений и неярких туманных объектов - своего рода компромисс между желанием видеть большее поле зрения и иметь проницание (и увеличение) по-больше.

Фокусные расстояния окуляров в зависимости от относительного отверстия объектива телескопа

Следует отметить, что все эти рассуждения носят несколько отвлеченный, абстрактный характер. В реальной жизни все несколько сложнее. Вступают в действие и другие часто решающие ограничения. Рассмотрим их по порядку.

Ограничения связанные с относительным отверстием объектива телескопа

Относительное отверстие объектива это отношение его диаметра (апертуры) D к фокусному расстоянию f'об. Обычно удобнее говорить об обратной величине k = f'об/D - относительном фокусном расстоянии объектива.

Для телескопа с очень большим относительным фокусом k = 14 (нормально для Кассегренов с малым экранированием) фокус окуляра для обеспечения равнозрачкового увеличения составит f' = d·k = 7·14 = 98 мм! Увы, окуляров с таким большим фокусным расстоянием на рынке не сыщешь. Обычно, самые длиннофокусные окуляры это 40-50 мм. Так что приходится ограничивать свои аппетиты и возможные видимые поля зрения в таких телескопах.

И наоборот, для телескопа с коротким относительным фокусом k=4 ("быстрые" Ньютоны) для получения т.н. "разрешающего увеличения" потребуется фокусное расстояние окуляра f' = d·k = 0.7·4 = 2.8 мм. "Маловато будет!" Без дополнительных оптических элементов типа линзы Барлоу не обойтись - а они не всегда желательны (особенно при наблюдениях планет).

Оптимально для подбора окуляров иметь относительное фокусное расстояние объектива телескопа равного 6-7. В таком случае получается полноценный набор окуляров с вполне доступным набором фокусов примерно от 5 до 50 мм.

Ограничения со стороны конструктивно доступного поля зрения

Наиболее распространенные стандартные диаметры трубки фокусера телескопа 1.25" и 2" (это диаметры внутренних отверстий фокусера в которое вставляется по гладкой цилиндрической посадке окуляр).

Если у телескопа фокусер 2" - это хорошо, поскольку с переходником 2"/1.25" он пригоден и для окуляров стандарта 1.25".

Окуляр стандарта 2" позволяет использовать окуляры с диаметром полевой диафрагмы Dп до 45 мм. Если владелец телескопа ориентирован на относительно дешевые не широкоугольные окуляры (поле зрения 2w' = 45 градусов) то максимальный по фокусному расстоянию окуляр, который он может использовать будет f' = 57.3·Dп/2w' = 57.3 мм. Для более дорогих и широкоугольных окуляров (2w' = 65 градусов) максимальное фокусное расстояние уже будет около 40 мм, а для сверхширокоугольных (2w' = 80 градусов) не более 32 мм.

Для владельца телескопа стандарта 1.25" (максимальная по диаметру полевая диафрагма окуляра около 25-27 мм) значения максимальных фокусных расстояний будут меньше. Для ординарных окуляров - 32 мм, для широкоугольников - 22 мм, для сверхширокоугольных окуляров не более 18 мм. Соотвественно одним ограничением на фокусное расстояние окуляра и увеличение телескопа - больше.

Недостаточная аберрационная коррекция объектива телескопа и турбуленция

При серьезных остаточных аберрациях объектива телескопа становятся бесполезными большие разрешительные увеличения. Если ваш телескоп сомнителен по качеству коррекции ограничьтесь в покупках короткофокусных окуляров - от них не будет проку. Многие так называемые "короткие ахроматы" и очень уж "быстрые" Ньютоны сомнительного происхождения не дают возможности с пользой применять увеличение больше 1·D.

Атмосферная турбулентность (быстрое перемешивание разнотемпературных слоев воздуха) столь обычная в средних широтах при смене давления и проч. погодных катаклизмах так-же ограничивает приемлимые увеличения сверху (увеличения более 200-250х), часто тем более эффективно, чем больше диаметр апертуры.

Физиологические ограничения

Очень уж короткофокусные простые окуляры характеризуются небольшим (менее 5 мм) выносом выходного зрачка. То есть наблюдатель вынужден близко (иногда вплотную!) придвигать свой глаз к глазной линзе окуляра. Это вызывает ряд отрицательных моментов: ощущение дискомфорта от контакта ресниц с оптикой и механикой окуляра, быстрое загрязнение глазной линзы и таким образом повышенное светорассеивание на ней - потеря контраста изображения, запотевание глазной линзы влагой глаза в морозную погоду, известные трудности для тех, кто вынужден даже при наблюдениях использовать коррегирующую оптику (например очки для компенсации астигматизма).
Таким образом, возникают трудности, часто делающие невозможным использование окуляров с малым выносом выходного зрачка (а они обычно самые короткофокусные). Часто эта критически важная характеристика не дается в техническом описании окуляра (вынос выходного зрачка). "Опасные" в этом плане окуляры хорошо выделяются малым (3-5 мм) диаметром окошка глазной линзы, стоит иметь ввиду описанные выше проблемы и по-возможности избегать их.

Соображения связанные с использованием линз Барлоу

При использовании окуляра после линзы Барлоу его фокусное расстояние как-бы уменьшается во столько раз, какова кратность используемой линзы Барлоу. И соответственно растет увеличение телескопа. Линзу Барлоу используют в том числе и для преодоления описанных физиологических проблем при использовании очень уж короткофокусных окуляров. Действительно 10 мм симметричный окуляр с вполне еще приемлимым выносом выходного зрачка 6-7 мм, при использовании 2х линзы Барлоу получает эффективное фокусное расстояние 5 мм при сохранении (и даже небольшом увеличении) этого еще комфортного выноса выходного зрачка!

Кроме того хорошая линза Барлоу позволяет преодолевать еще одно ограничение связанное со слишком уж большими относительными отверстиями быстрых Ньютонов. Действительно рефлектор с относительным 1:4.5 после установки 2х линзы барлоу получает вполне благоприятное для многих окуляров относительное отверстие 1:9.

Отсюда вывод: линза Барлоу часто оказывается эффективна для преодоления ряда трудностей в использовании окуляров, особенно короткофокусных и может заменить один-два короткофокусника. Например, пара окуляров с фокусными 10 мм и 7 мм при использовании 2х линзы Барлоу как бы дополняются виртуальными окулярам с фокусными 5 мм и 3.5 мм. Что приводит как бы к "размножению" окуляров посредством линзы Барлоу.

К сожалению, использование линз Барлоу имеет свои ограничения. Если двукратные линзы работают как правило весьма недурно, то нетелецентричные 3х и особенно 4х довольно сильно ломают ход лучей и вносят заметные особенно по полю искажения в качество изображения. Во многих отношениях лучше использовать окуляры в конструкции которых уже есть встроенные линзы Барлоу (отрицательный компонент до полевой диафрагмы).

Выбор самого короткофокусного окуляра

Для качественных телескопов с малыми апертурами до 127 мм (и соответсвенно мало подверженных влиянию атмосферы) для наблюдения планет и двойных звезд имеет смысл покупка качественного окуляра с фокусным расстоянием k/2, где k - относительное фокусное расстояние объектива телескопа (k = f'/D). При наличие монтировки с часовым двигателем это должен быть окуляр обеспечивающий максимальный контраст изображения, то есть что-то простое вроде симметричного (Плёсла), ортоскопического или моноцентрического дизайна. Для телескопов со средними апертурами до 8" или малыми, но с небольшими проблемами в коррекции аберраций имеет смысл вкладываться в аналогичный разрешающий окуляр с фокусным расстоянием 0.7·k. Для телескопов с большими апертурами (от 10") самый дорогой разрешающий окуляр стоит брать с фокусным расстоянием порядка k, причем с поправкой в сторону увеличения, если обнаруживаются существенные дефекты в коррекции аберраций.

Фокусные расстояния для окуляра максимального увеличения при идеальной оптике телескопа(*)

(*) чем больше остаточные аберрации объектива, тем больше следует преувеличить фокусное расстояние по отношению к этим рекомендациям

В принципе, такие же фокусные расстояния можно предложить при выборе максимального увеличения для любителей "дипскай" наблюдений (на таких увеличения можно рассматривать шаровые скопления и некоторые другие объекты дальнего космоса). При этих наблюдениях важной характеристикой окуляра является широкоугольность, то есть следует ориентироваться на сложные дорогие окуляры, при том, что это увеличение будет использовано очень нечасто. Тут я бы рекомендовал такой практический подход. Указанное максимальное увеличение получать с двухкратной линзой Барлоу со сверхширокоугольным дорогим окуляром, у которого фокусное расстояние вдвое больше, чем требуется для получения максимального разрешающего увеличения. Этот окуляр без ЛБ будет использоваться как основной для получения проницающего увеличения и будет одним из самых часто используемых в вашем наборе.

 

Замечание о выборе фокусного расстояния для поисково-обзорного окуляра

Как указано выше имеет смысл ориентироваться на выходные зрачки порядка 5-6 мм, то есть фокусные расстояния 5·k-6·k. Но тут есть нюансы. Обзорные и тем более поисковые увеличения гонятся прежде всего за максимально достижимыми в заданном конструктиве фокусера телескопа полями зрения, а не максимальным использованием апертуры телескопа. То есть ничего страшного не случится, если при максимальном использовании размеров фокусера (1.25" или 2") окуляр с максимальной в этих размерах полевой диафрагмой выдаст выходной зрачок диаметром 8 мм или даже 10-12 мм! За видимость большего поля зрения не страшно заплатить нескорлько меньшим проницанием и обрезанием зрачком наблюдателя части входной апертуры. Так что фокусное расстояние поискового окуляра определяется стандартом окулярной трубки телескопа и угловым полем зрения окуляра:

Фокусное расстояние обзорно-поискового
окуляра в зависимости от его поля зрения
и стандарта фокусера

Автор Эрнест Шекольян.

Публикуется с разрешения автора http://astro-talks.ru/forum/viewtopic.php?f=8&t=92