Centralna przeszkoda w astrofotografii: ile naprawdę Cię kosztuje

Wprowadzenie

Jeśli nie używasz teleskopu refrakcyjnego do astrofotografii, prawdopodobnie używasz konstrukcji opartej na lustrach, takiej jak Newton, Schmidt-Cassegrain lub Maksutov-Cassegrain. Wszystkie one mają jedną wspólną cechę: lustro wtórne umieszczone na aperturze, które tworzy tak zwaną centralną przeszkodę.

W typowym teleskopie Newtona uchwyt lustra wtórnego i samo lustro znajdują się pod kątem około 45 stopni do lustra głównego, odbijając obraz z powrotem do aparatu poniżej. To lustro wtórne rzuca cień na lustro główne, a ten cień jest centralną przeszkodą. Zajmuje ona określoną średnicę i powierzchnię z głównego obszaru zbierającego światło teleskopu.

Powszechna mądrość głosi, że centralna przeszkoda ma znaczenie tylko dla obserwacji wizualnych, powodując utratę kontrastu, a astrofotografowie nie powinni się nią przejmować. W praktyce centralna przeszkoda ma trzy główne skutki wykraczające poza kontrast, które warto zrozumieć, zanim zdecydujesz się na teleskop lustrzany do obrazowania głębokiego nieba.

Co to jest centralna przeszkoda?

Centralna przeszkoda to cień rzucany przez uchwyt lustra wtórnego na lustro główne teleskopu odbiciowego. Patrząc bezpośrednio w teleskop, można zobaczyć lustro główne z tyłu i centralną przeszkodę zajmującą część apertury.

Rozmiar tej przeszkody znacznie różni się w zależności od konstrukcji. Niektóre teleskopy mają bardzo duże centralne przeszkody. Na przykład Sharpstar SCA 310 ma aperturę 310 mm i centralną przeszkodę o średnicy 184 mm. Ta przeszkoda jest większa niż cała apertura wielu małych teleskopów Newtona. RASA 8, inny popularny teleskop do obrazowania, ma aperturę 203 mm i centralną przeszkodę 93 mm.

Pierwszy wpływ centralnej przeszkody dotyczy maksymalnej teoretycznej rozdzielczości teleskopu. Dokładny efekt jest trudny do określenia za pomocą prostych wzorów, a wpływ na limit Dawesa nie jest do końca jasny. W praktyce utrata rozdzielczości prawdopodobnie nie jest wystarczająco duża, aby martwić większość astrofotografów, zwłaszcza że nawet skromny Newton wciąż przewyższa większość refraktorów na rynku pod względem apertury.

Drugi wpływ dotyczy działania filtrów wąskopasmowych, co jest bardziej znaczące i łatwiejsze do określenia ilościowego. Trzeci wpływ dotyczy wydajności zbierania światła, co wpływa na efektywną szybkość teleskopu.

Wpływ na filtry wąskopasmowe

Filtry wąskopasmowe są bardzo wrażliwe na kąt padania promieni świetlnych. Działają najlepiej, gdy światło pada dokładnie pod kątem 90 stopni do powierzchni filtra, co oznacza światło pochodzące ze środka układu optycznego. Centralna przeszkoda całkowicie blokuje te centralne promienie, więc całe pozostałe światło pada pod kątem nieprostym.

Ma to mierzalny wpływ na transmisję przy docelowej długości fali. Korzystając z kalkulatora filtrów wąskopasmowych, można wyraźnie zobaczyć ten wpływ. Dla Sharpstar SCA 310 z filtrem siarkowym 3 nm i szczytową transmitancją 90 procent, obliczenia pokazują, że nawet bez centralnej przeszkody, szybka optyka już zmniejsza całkowitą transmitancję do około 75 procent na całej aperturze. Dodanie centralnej przeszkody 184 mm natychmiast obniża transmisję o prawie 10 procent.

Ten efekt jest znacznie mniej wyraźny w przypadku filtra o szerszym paśmie przepustowym. Z filtrem 7 nm, SCA 310 z centralną przeszkodą osiąga około 90 procent transmisji, co w zasadzie nie stanowi problemu. Praktyczny wniosek jest taki, że teleskop z dużą centralną przeszkodą ogranicza wybór filtrów wąskopasmowych. Filtr o paśmie 3 nm prawdopodobnie nie byłby dobrym wyborem dla tego teleskopu, zwłaszcza jeśli jest niższej jakości.

Wysokiej jakości filtr o lepszym współczynniku załamania i szczytowej transmitancji działa znacznie lepiej. W przypadku filtra premium różnica między posiadaniem a brakiem centralnej przeszkody jest niewielka. Pozostaje fakt, że centralna przeszkoda ogranicza opcje filtrów.

RASA 8 pokazuje jeszcze bardziej dramatyczny efekt. Z filtrem 7 nm i bez centralnej przeszkody, transmisja na całej aperturze wynosi tylko 52 procent, ponieważ optyka jest tak szybka, a promienie świetlne padają pod stromymi kątami. Dodanie centralnej przeszkody 93 mm obniża to do 42 procent, co oznacza stratę 10 procent.

Rzeczywista szybkość Twojego teleskopu

Trzeci wpływ centralnej przeszkody dotyczy wydajności zbierania światła. Cień rzucany przez przeszkodę oznacza, że część lustra głównego nigdy nie jest używana, co zmniejsza liczbę fotonów zbieranych na piksel na sekundę. Oznacza to, że nawet przy bardzo szybkim stosunku ogniskowym, duża centralna przeszkoda obniża efektywną szybkość teleskopu.

Aby to określić ilościowo, można porównać użyteczną powierzchnię teleskopu lustrzanego z równoważną aperturą refraktora. Dla Sharpstar SCA 310, lustro główne ma średnicę 310 mm, co daje powierzchnię pi razy 155 do kwadratu. Odejmując powierzchnię centralnej przeszkody, która ma promień 92 mm, pozostaje użyteczna powierzchnia równoważna refraktorowi o średnicy około 250 mm.

Oznacza to, że SCA 310, z nominalnym stosunkiem ogniskowym F3.8, jest równoważny pod względem zbierania światła refraktorowi o stosunku ogniskowym F4.7. W terminologii fotograficznej jest to różnica między przysłoną F a przysłoną T, gdzie T oznacza transmitancję i uwzględnia wszystkie straty światła na powierzchniach.

Dodanie realistycznych strat odbicia lustra wynoszących około 95 procent podnosi przysłonę T do około 5.2. Jeśli następnie dodasz filtr wąskopasmowy niskiej jakości z 66-procentową transmisją, przysłona T wzrasta do około 7.9. Nawet bez nieodpowiedniego filtra, teleskop nie jest tak szybki, jak wydaje się na papierze.

RASA 8 radzi sobie lepiej. Jego apertura 203 mm z centralną przeszkodą 93 mm jest równoważna refraktorowi o aperturze około 180 mm. Ten hipotetyczny refraktor miałby stosunek ogniskowy F2.2, w porównaniu z nominalnym F2 dla RASA 8. Wpływ jest mniej dramatyczny niż w przypadku SCA 310, ale nadal mierzalny.

Co to oznacza dla Twojego następnego teleskopu

Porównując teleskopy do astrofotografii, sam stosunek ogniskowy nie jest wiarygodnym wskaźnikiem szybkości, jeśli teleskop ma centralną przeszkodę. Efektywna zdolność zbierania światła jest zmniejszona przez przeszkodę, a rzeczywista szybkość jest lepiej opisana przez przysłonę T.

W przypadku obrazowania wąskopasmowego, duża centralna przeszkoda ogranicza wybór filtrów. Szerokopasmowe filtry, takie jak 7 nm, są bezpieczniejsze, podczas gdy filtry 3 nm mogą kosztować znaczną transmisję, zwłaszcza w przypadku filtrów niższej jakości. Filtry premium z lepszym współczynnikiem załamania łagodzą problem, ale go nie eliminują.

Centralna przeszkoda nie pojawia się na końcowych obrazach, ponieważ jest nieostra. Cień rozprzestrzenia się na całej matrycy, sprawiając, że obraz jest nieco mniej jasny, zamiast pokazywać widoczny ciemny kształt. To subtelne zmniejszenie jasności to dokładnie utrata fotonów na piksel na sekundę związana z przeszkodą.

Podsumowanie

Centralna przeszkoda to coś więcej niż problem kontrastu dla obserwatorów wizualnych. Wpływa na działanie filtrów wąskopasmowych, zmniejsza efektywne zbieranie światła i zmienia rzeczywistą szybkość teleskopu. Zrozumienie tych wpływów pomaga wybrać odpowiedni teleskop i filtry do celów obrazowania.

Dla Sharpstar SCA 310, ogromna centralna przeszkoda 184 mm oznacza, że teleskop jest efektywnie refraktorem 250 mm pod względem zbierania światła, z przysłoną T około 5.2 przed uwzględnieniem filtrów. RASA 8 jest bliższy swojej nominalnej szybkości, odpowiadając refraktorowi 180 mm przy F2.2.

Jeśli planujesz fotografować wąskopasmowo, zwróć szczególną uwagę na rozmiar centralnej przeszkody i odpowiednio dobierz filtry. Jeśli chcesz uzyskać najszybszy możliwy system, refraktor bez centralnej przeszkody zawsze będzie miał przewagę w wydajności transmisji.