Оптимальный набор окуляров для телескопа.

[Ernest]

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 = f'_об/f'_ок, где f'_об - фокусное расстояние объектива телескопа, в фокусер которого установлен окуляр. Таким образом выбор фокусных расстояний набора окуляров для телескопа это выбор разумного набора увеличений этого инструмента.

Увеличения телескопа согласно нетленному учению Максутова 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 100 мм окуляры надо подбирать так, чтобы они обеспечивали увеличения от примерно 15х до 150х. Далее по тексту увеличения будут выражаться через диаметр (в мм) апертуры телескопа.

Отметим одно важное обстоятельство. Наверное всем известно, что у телескопа есть апертура - диаметр светового пучка, который он способен принять. 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. Диаметр выходного зрачка d' очень важен при использовании телескопа он равен входной апертуре деленной на увеличение телескопа d' = D/Г 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.

Верхняя граница рациональных увеличений ("разрешающее увеличение") была определена эмпирически и связана с  влиянием дифракционных явлений (при росте увеличения уменьшается размер выходного зрачка телескопа). Оказалось, что наивысшее разрешение достигается при выходных зрачках диаметром менее 0.7 мм и дальнейший рост увеличения не приводит уже к лучшей видности деталей (но уменьшает их число ввиду уменьшения поля зрения). Напротив, рыхлое, мутное и неяркое изображение создает иллюзию уменьшения детализации. Увеличения большие 1.5*D имеют смысл прри наблюдении сравнительно ярких и контрастных объектов, как более комфортные, особенно для людей с дефектами зрения.

Назначение разрешающего увеличения - дать возможность наблюдателю рассмотреть в наимельчайших деталях двойные звезды, диски планет, поверхность Луны. Обычно необходимо иметь пару окуляров для двух разрешающих увеличений 1.4*D и более комфортное 2*D. При наблюдении тусклых объектов (планетарные туманности) или сильном влиянии турбулентности следует уменьшать разрешающее увеличение до 1*D.

Нижняя граница разумного диапазона увеличений ("равнозрачковое увеличение") определяется тем простым соображением, что диаметр выходной апертуры (зрачка) при меньшем увеличении становится уже больше обычного для ночных условий адаптированного зрачка глаза наблюдателя (7-8 мм) и апертура используется нерационально (диаметр выходной апертуры-зрачка d = D/Г, где Г - увеличение телескопа). Часть света таким образом просто не попадает в глаз. Другое дело, при увеличениях меньше равнозрачкового ценой некоторой потери в проницании доступно большее поле зрения, что часто оказывается более важно, чем потери света.

Днем размер зрачка наблюдателя обычно 2-3 мм и это, так называемое, "равнозрачковое увеличение" днем будет больше ночного - около D/2.

Назначение небольших увеличений близких к равнозрачковым - получить максимально большое видимое на небе поле зрения (+) и при максимальной яркости изображения (что уже не всегда хорошо). 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.

Кроме того часто говорят об особой роли так называемого "проницающего" увеличения 0.7*D, при котором как будто достигается наивысшее проницание (видны самые тусклые звезды) телескопа. Это увеличение применяется по шаровым и "тесным" рассеяным скоплениям, спутникам планет.

Таким образом вырисовывается следующий ряд рекомендуемых увеличений 2*D, 1.4*D, 1*D, 0.7*D, D/7. Полезным дополнением будет увеличение в D/2..D/3 затыкающее очень уж большую дырку между проницающим и равнозрачковым увеличениями. Оно полезно для обычных по размерам для скоплений и неярких туманных объектов.

				f'ок для	отн. отв.
Увеличение	Назначение	Увеличение	Вых.зрачок	1:4.5	1:6	1:10	1:14
Равнозрачковое	Поиск, обзор, "широкие" туманности	D/7..D/5	5-7 мм	22-32 мм	30-40 мм	40-50 мм	40-50 мм
Умеренное	Объекты Мессье	D/3	3 мм	15 мм	18-20 мм	30-32 мм	40 мм
Среднее	Туманности и яркие галактики	D/2	2 мм	10 мм	12-13 мм	20 мм	25-28 мм
Проницающее	Мелкие галактики, планетарки и скопления	0.7*D	1.4 мм	6.3 мм	8-9 мм	14 мм	20 мм
Большое	Обзор диска Луны, Солнца, спутников планет	1*D	1 мм	4.5 мм	6 мм	10 мм	14 мм
Разрешающее	Детали планет, Луны и Солнца	1.4*D	0.7 мм	3 мм	4.5 мм	7 мм	10 мм
Сверхбольшое	Двойные звезды, юстировка	2*D	0.5 мм	2.3 мм	3 мм	5 мм	7 мм

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

Ограничения относительного фокуса (отношение фокусного расстояния объектива телескопа к диаметру его входной апертуры k = f'/D - величина обратная относительному отверстию).

Для телескопа с 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 не сыщешь. Обычно, самые длиннофокусные окуляры это 40-50 мм. Так что приходится ограничивать свои аппетиты и возможные видимые поля зрения в таких телескопах.

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 иметь относительный фокус объектива равный 6-7. Получается полноценный набор окуляров с доступным набором фокусов от 5 до 50 мм.

Ограничения со стороны доступного поля зрения.

Наиболее распространенные стандартные диаметры 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 он пригоден и для окуляров стандарта 1.25".

Окуляр стандарта 2" позволяет получать линейные поля зрения диаметром D 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*D/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" (максимальное линейное поле зрения около 25 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.

Ограничения связанные с недостаточной аберрационной коррекцией объектива телескопа и турбуленцией.

При серьезных остаточных аберрациях 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 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 очень уж 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 сипользовании 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 2х линзы работают как правило весьма недурно, то 3х и особенно 4х довольно сильно ломают ход лучей и вносят заметные особенно по полю искажения в качество изображения.

Пара слов по выбору самого короткофокусного окуляра с учетом всего вышесказанного.

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). Причем 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(*).

Апертура	1:4	1:4.5	1:5	1:6	1:8	1:10	1:15
до 127	2 мм	2.3 мм	2.5 мм	3 мм	4 мм	5 мм	8 мм
до 8"	3 мм	3.5 мм	3.5 мм	4 мм	6 мм	7-8 мм	10 мм
свыше 10"	4 мм	4.5 мм	5 мм	6 мм	8 мм	10 мм	15 мм

(*) 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 "дипскай" объекты). При наблюдениях "дипов" 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.

Немного 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:

угл. поле	1.25"	2"
(град.)	(27 мм)	(45 мм)
100	15 мм	26 мм
82	19 мм	32 мм
70	22 мм	37 мм
65	24 мм	40 мм
52	30 мм	50 мм
40	39 мм	65 мм