Central obstruktion inom astrofotografering: Vad det verkligen kostar dig

Introduktion

Om du inte använder ett refraktorteleskop för astrofotografering, använder du troligen en spegelbaserad design som en Newton, en Schmidt-Cassegrain eller en Maksutov-Cassegrain. Alla dessa delar en egenskap: en sekundärspegel som sitter på aperturen och skapar det som kallas en central obstruktion.

På en typisk Newton sitter sekundärspegelhållaren och själva spegeln i ungefär 45 grader mot primärspegeln och reflekterar bilden tillbaka till kameran nedanför. Den sekundära spegeln kastar en skugga över primärspegeln, och den skuggan är den centrala obstruktionen. Den upptar en viss diameter och yta från teleskopets huvudsakliga ljusinsamlingsområde.

Den allmänna uppfattningen är att den centrala obstruktionen bara spelar roll för visuell astronomi, genom att orsaka kontrastförlust, och att fotografer inte bör oroa sig för den. I praktiken har den centrala obstruktionen tre huvudsakliga effekter som går bortom kontrast, och de är värda att förstå innan du satsar på ett spegelbaserat teleskop för djuprymdsobjekt.

Vad är en central obstruktion?

En central obstruktion är skuggan som kastas av sekundärspegelhållaren över primärspegeln i ett reflekterande teleskop. Om du tittar rakt in i teleskopet kan du se primärspegeln längst bak och den centrala obstruktionen som upptar en del av aperturen.

Storleken på den obstruktionen varierar avsevärt mellan olika konstruktioner. Vissa teleskop har mycket stora centrala obstruktioner. Till exempel har Sharpstar SCA 310 en apertur på 310 mm och en central obstruktion med en diameter på 184 mm. Den obstruktionen är större än hela aperturen på många små Newton-teleskop. RASA 8, ett annat populärt bildteleskop, har en apertur på 203 mm och en central obstruktion på 93 mm.

Den första effekten av en central obstruktion är på teleskopets maximala teoretiska upplösning. Den exakta effekten är svår att kvantifiera med enkla formler, och påverkan på Dawes gräns är inte helt klarlagd. I praktiska termer är upplösningsförlusten troligen inte tillräckligt stor för att oroa de flesta astrofotografer, särskilt eftersom även ett blygsamt Newton-teleskop fortfarande slår de flesta refraktorer på marknaden när det gäller apertur.

Den andra effekten är på smalbandsfilters prestanda, vilket är mer betydande och lättare att kvantifiera. Den tredje effekten är på ljusinsamlingseffektiviteten, vilket påverkar teleskopets effektiva hastighet.

Påverkan på smalbandsfilter

Smalbandsfilter är mycket känsliga för vinkeln på inkommande ljusstrålar. De presterar bäst när ljuset anländer i exakt 90 grader mot filterytan, vilket innebär ljus som kommer från mitten av optiken. En central obstruktion blockerar dessa centrala strålar helt, så allt återstående ljus anländer i en icke-rät vinkel.

Detta har en mätbar effekt på transmissionen vid den önskade våglängden. Med hjälp av en smalbandsfilterkalkylator kan du tydligt se effekten. För Sharpstar SCA 310 med ett 3 nm svavel-2-filter och en maximal transmittans på 90 procent visar beräkningen att även utan central obstruktion minskar den snabba optiken den totala transmittansen till cirka 75 procent över hela aperturen. Att lägga till den 184 mm centrala obstruktionen minskar transmissionen med nästan 10 procent omedelbart.

Denna effekt är mycket mindre uttalad med ett bredare bandpassfilter. Med ett 7 nm-filter ligger SCA 310 med sin centrala obstruktion på cirka 90 procents transmission, vilket i princip inte är något problem. Den praktiska slutsatsen är att ett teleskop med en stor central obstruktion begränsar ditt val av smalbandsfilter. Ett 3 nm bandpassfilter skulle troligen inte vara en bra matchning för detta teleskop, särskilt inte ett av lägre kvalitet.

Ett högkvalitativt filter med bättre brytningsindex och maximal transmittans presterar mycket bättre. Med ett premiumfilter är skillnaden mellan att ha och inte ha den centrala obstruktionen liten. Poängen kvarstår att den centrala obstruktionen begränsar dina filtermöjligheter.

RASA 8 visar en ännu mer dramatisk effekt. Med ett 7 nm-filter och ingen central obstruktion är transmissionen över hela aperturen bara 52 procent eftersom optiken är så snabb och ljusstrålarna anländer i branta vinklar. Att lägga till den 93 mm centrala obstruktionen minskar det till 42 procent, en förlust på 10 procent.

Det verkliga ljusinsamlingsvärdet hos ditt teleskop

Den tredje effekten av en central obstruktion är på ljusinsamlingseffektiviteten. Skuggan som kastas av obstruktionen innebär att en del av primärspegeln aldrig används, vilket minskar antalet fotoner som samlas in per pixel per sekund. Detta innebär att även med ett mycket snabbt fokalförhållande sänker en stor central obstruktion teleskopets effektiva hastighet.

För att kvantifiera detta kan du jämföra den användbara ytan hos ett spegelbaserat teleskop med motsvarande refraktor apertur. För Sharpstar SCA 310 har primärspegeln en diameter på 310 mm, vilket ger en yta på pi gånger 155 i kvadrat. Subtraherar du den centrala obstruktionens yta, som har en radie på 92 mm, återstår en användbar yta som motsvarar en refraktor med en diameter på cirka 250 mm.

Det innebär att SCA 310, med sitt nominella fokalförhållande på F3.8, är ekvivalent i ljusinsamling med en refraktor med ett fokalförhållande på F4.7. I fotografiska termer är detta skillnaden mellan ett F-stopp och ett T-stopp, där T står för transmittans och tar hänsyn till alla ljusförluster över ytor.

Att lägga till realistiska spegelreflektionsförluster på cirka 95 procent ger ett T-stopp på cirka 5.2. Om du sedan lägger till ett smalbandsfilter av låg kvalitet med 66 procents transmission ökar T-stoppet till cirka 7.9. Även utan ett olämpligt filter är teleskopet inte så snabbt som det ser ut på papperet.

RASA 8 klarar sig bättre. Dess 203 mm apertur med en 93 mm central obstruktion motsvarar en refraktor med en apertur på cirka 180 mm. Den hypotetiska refraktorn skulle ha ett fokalförhållande på F2.2, jämfört med RASA 8:s nominella F2. Effekten är mindre dramatisk än med SCA 310, men den är fortfarande mätbar.

Vad detta innebär för ditt nästa teleskop

När du jämför teleskop för astrofotografering är fokalförhållandet ensamt inte en tillförlitlig indikator på hastighet om teleskopet har en central obstruktion. Den effektiva ljusinsamlingsförmågan minskas av obstruktionen, och den verkliga hastigheten beskrivs bättre av T-stoppet.

För smalbandsavbildning begränsar en stor central obstruktion dina filterval. Breda bandpassfilter som 7 nm är säkrare, medan 3 nm-filter kan kosta dig betydande transmission, särskilt med filter av lägre kvalitet. Premiumfilter med bättre brytningsindex mildrar problemet men eliminerar det inte.

Den centrala obstruktionen syns inte i slutbilder eftersom den är ur fokus. Skuggan sprids över hela sensorn, vilket gör bilden något mindre ljus snarare än att visa en synlig mörk form. Den subtila ljusstyrkeminskningen är exakt den förlust av fotoner per pixel per sekund som följer med obstruktionen.

Slutsats

Den centrala obstruktionen är mer än en kontrastfråga för visuella observatörer. Den påverkar smalbandsfilters prestanda, minskar effektiv ljusinsamling och ändrar teleskopets verkliga hastighet. Att förstå dessa effekter hjälper dig att välja rätt teleskop och filter för dina bildmål.

För Sharpstar SCA 310 innebär den massiva 184 mm centrala obstruktionen att teleskopet i praktiken är en 250 mm refraktor i ljusinsamlingstermer, med ett T-stopp runt 5.2 innan filter beaktas. RASA 8 ligger närmare sin nominella hastighet, motsvarande en 180 mm refraktor vid F2.2.

Om du planerar att fotografera smalband, var noga med att uppmärksamma storleken på den centrala obstruktionen och välj filter därefter. Om du vill ha det snabbast möjliga systemet kommer en refraktor utan central obstruktion alltid att ha en fördel i transmissionseffektivitet.