Температурный дрейф фокусного расстояния при планетных съемках

[Александр Л.]

   Воспользовавшись хорошей погодой, решил провести небольшие эксперименты для выяснения зависимости расфокусировки телескопа системы Максутова в зависимости от температуры, а также влияние температурного дрейфа на качество планетного снимка. Для экспериментов использовался самодельный электрофокусер с температурным датчиком цифрового типа. Контроллер описан в теме контроллер электрофокусера. В сообщении будут приведены некоторые цифры, но поскольку погрешность измерения этих величин неизвестна будем считать, что измерения носят скорее качественный характер. Несколько слов о аппаратуре. Телескоп МСТ150, с увеличенным до 4500 мм. фокусным расстоянием при помощи линзы барлоу 2Х производства НПЗ, а также баадер ИК фильтр и WEB камера филипс 900. Термодатчик фокусера микросхема DS1631, с заявленной точностью 0.5 градусов цельсия в температурном диапазоне примерно 50 градусов и шагом измерения 0.062 градуса. Но в данном температурном диапазоне точность измерения температуры выше и кроме того нас интересует не столько сама температура сколько ее изменение во времени, то можно считать, что точность измерения температуры близки к ее шагу измерения и составляют 0.06 градуса. Температурный дрейф был замерен ранее при помощи маски Павла Бахтинова. Замерялся он просто при помощи записи цифровой шкалы фокусера и показаний температуры термометра фокусера при фокусировках при съемках Луны и Сатурна. При этом температурный дрейф составлял 2-3 градуса цельсия. Значение температурного дрейфа было принято равным  26 шагам двигателя фокусера, что составляет примерно 130 мкм. Позавчера была снята дифракционная картина маски Павла Бахтинова при расфокусировках соответсвующих 26, 52 и 78 шагам как при росте расстояния от объектива фотоприемника, так и при его уменьшении, а вчера в этих же точках по показаниям цифровой шкалы был снят Сатурн. Для первого снимка телескоп был точно сфокусирован. Для уменьшения времени съемки, а также учитывая, что хороший снимок Сатурна получать необязательно, а также учитывая то обстоятельство, что температура постоянно меняется были сняты ролики по 600 кадров. Все ролики были обработаны одинаково – был найден опорный кадр, затем по нему отобраны первые лучшие 150 штук, затем сложены и обработаны waveletОМ -  первый уровень 10 единиц, а второй 4 единицы. Результат работы представлен на фото ниже. Соответственно самый левый снимок сделан при точной наводке на фокус, правее следует снимок при изменении фокусного расстояния на 1 градус цельсия, далее на 2 градуса, а затем на 3 градуса. Снимки Сатурна снабжены соответствующей диф. картиной Маски Павла Бахтинова. Верхние снимки получены при росте расстояния от объектива до фотоприемника, нижние при уменьшении этого расстояния. За время съемки роликов температура телескопа упала на 0.3 градуса Цельсия.

[Iskandar]

Александр, понятно, что работа проделана немаленькая, вот только некоторые моменты вызывают по меньшей мере вопросы.

Например, что такое "изменение фокусного расстояния на 1 (2, 3) градус цельсия"? Может быть, всё-таки, при изменении температуры на 1 градус? Ведь фокусное расстояние не в градусах, а в миллиметрах измеряется.

Кроме того, несколько непонятно, что имеется в виду под определением "телескоп был точно сфокусирован" - при относительном отверстии f/30 можно говорить только о некоем приближении к точной фокусировке, вернее к среднему её значению - слишком велико (по сравнению со съёмками дипскаев) становится влияние турбуленции.

Я, помнится, приводил графики влияния турбулентности на резкость изображения на основе роликов от 300 до 1200 кадров - результирующая кривая более-менее плавно гуляет: матрица оказывается то в зафокале, то в предфокале.

Учитывалось ли как-нибудь влияние турбуленции в Ваших роликах?

И откуда взяты 3 градуса, если за время съёмки роликов температура изменилась всего на 0,3 градуса? Это что - экстраполяция?

[echech]

То есть температурный дрейф всего на градус уже требует перефокусировки!

[Александр Л.]

Например, что такое "изменение фокусного расстояния на 1 (2, 3) градус цельсия"? Может быть, всё-таки, при изменении температуры на 1 градус? Ведь фокусное расстояние не в градусах, а в миллиметрах измеряется.

Да, естественно так.

Кроме того, несколько непонятно, что имеется в виду под определением "телескоп был точно сфокусирован" - при относительном отверстии f/30 можно говорить только о некоем приближении к точной фокусировке, вернее к среднему её значению - слишком велико (по сравнению со съёмками дипскаев) становится влияние турбуленции.

 Да Александр, Вы правы, поэтому я и написал, что приведенные данные носят качественный характер. Но обычно я пытаюсь учитывать влияние турбуленции на фокусировку следующим образом. Записывается ролик, небольшой – кадров 100, 200 с изображением звезды полученным при помощи фокусировочной маски, а затем в регистаксе складываются эти кадры. При этом выбирается небольшой бокс в алайне, который захватывает только центральное пятно дифракционной картины. Вывод о фокусировке делается на основе этой усредненной картинки. В данном случае изображения фокусировочной маски – на фотографии это сумма 100 кадров видеопоследовательности.

 

Я, помнится, приводил графики влияния турбулентности на резкость изображения на основе роликов от 300 до 1200 кадров - результирующая кривая более-менее плавно гуляет: матрица оказывается то в зафокале, то в предфокале.

Учитывалось ли как-нибудь влияние турбуленции в Ваших роликах?
 

При фокусировке да, написал выше как, а при съемке естественно нет, атмосфера мне не подчиняется, живет своей жизнью. Поэтому на качество картинки могла оказать влияние и флуктуация турбуленции.

 

И откуда взяты 3 градуса, если за время съёмки роликов температура изменилась всего на 0,3 градуса? Это что - экстраполяция?

  Дрейф фокуса был вычислен заранее- те самые 26 шагов. При съемке роликов Сатурна я просто откручивал фокусер в нужную точку ориентируясь по показаниям цифровой шкалы фокусера, он у меня показывает пройденные двигателем шаги.

А 0.3 градуса это то изменение температуры телескопа, которое произошло за те 15-20 минут в течении которых я снимал ролики Сатурна, на самом деле их было больше - роликов, еще и для +-4 условных градусов снимал.
 
Кстати, в документе на фокусер с термокомпенсацией фирмы OPTEC приводятся данные по изменению фокусного расстояния от температуры для 200 мм. Мака MEADE. Приводиться величина в 200 мкм на 1 градус цельсия.

[Александр Л.]

То есть температурный дрейф всего на градус уже требует перефокусировки!

   Получается, что так. Причем разница в ролике с положением 0 и +26 шагов, т.е. самым левым и правее на самом деле заметна. Есть некоторое замыливание щели Кассини в узкой части. Дома обрабатывал, уже ночью, при слабом освещении - притушенная настольная лампа,  на мониторе было хорошо заметно.  Естественно это касается не всех систем телескопов, рефрактор например не подвержен температурному дрейфу.

[VD]

рефрактор например не подвержен температурному дрейфу.

Извините, но это вы сгоряча так сказанули.  Подвержен, подвержен. Не спорьте.

[Грин]

Александр, какой материал трубы Вашего МАКа?

[Александр Л.]

   Не знаю, поскольку он покрашен, предположительно сталь, впрочем в Рубинаре 10/1000 также очень хорошо плавает фокус от температуры - там аллюминий. Кстати есть довольно интересные наблюдения, но сумбурные над факторами влияющими на температуру телескопа стоящим на балконе, но делится ими без серъезным обоснований нельзя, посколько никто не поверит, да и обмануть можно людей, также как и самого себя.  Интересная штука точный термометр

    Прошу помощи оптиков, поскольку термодатчик один, подскажите, температуру какой части МАКА надо измерять, изменения температуры какой части телескопа сильнее всего изменяет фокусное расстояние, зеркала, мениска, трубы?

рефрактор например не подвержен температурному дрейфу.

Извините, но это вы сгоряча так сказанули.  Подвержен, подвержен. Не спорьте.

  Зачем же я буду спорить на такую тему с таким профессионалом. Сразу поверю.

[echech]

температуру какой части МАКА надо измерять, изменения температуры какой части телескопа сильнее всего изменяет фокусное расстояние

Вторичное зеркало (радиус кривизны и положение относительно главного).

[Грин]

Если положение относительно главного - то надо измерять изменение длины трубы при ДТ*.
 Если труба у меня титан (есть такое подозрение), то измерения часовиком ничего не дадут - стойка с часовиком стальная и сама будет больше сжиматься по сравнению с титаном, а вот если люминь - можно будет увидеть. 

[Александр Л.]

     Стоит задача не переделать телескоп или измерить его геометрию при изменении температуры, а убрать дрейф фокуса при помощи электроники. Термодатчик у контроллера фокусера один, в предположении, что фокусное расстояние от температуры зависит линейно - http://www.company7.com/library/optec/focal_shift_vs_temp.pdf, задача на первый взгляд очень простая. Электроника готова. На практике оказалось, что все очень не просто. Так куда мне на телескопе этот один термодатчик устанавливать? Надо учесть, что он сам тоже выделяет тепло, примерно 10 мВт.

[echech]

Так куда мне на телескопе этот один термодатчик устанавливать?

Если материал трубы - титан, то ставьте под вторичное зеркало (кривизна вторички будет влиять больше). Если алюминий - то на внешнюю поверхность трубы (изменение ее длины будет влиять сильнее). Только расположите напротив оси склонений и не забудьте теплоизолировать его от наружного воздуха.
Короче зависит от материалов трубы, вторичного зеркала, первичного зеркала и бэк-енда

[Грин]

... задача на первый взгляд очень простая. Электроника готова. На практике оказалось, что все очень не просто.

А она не просто непростая, а вообще нерешаемая, особенно учитывая нежелание мерять изменение размеров трубы. Факторов расфокусировки явно больше одного и их весовой вклад неизвестен - ИМХО, кривая будет нелинейна и подфокусироваться вручную в процессе всё равно придётся. Если результат интересует.

[Александр Л.]

... задача на первый взгляд очень простая. Электроника готова. На практике оказалось, что все очень не просто.

А она не просто непростая, а вообще нерешаемая, особенно учитывая нежелание мерять изменение размеров трубы. Факторов расфокусировки явно больше одного и их весовой вклад неизвестен - ИМХО, кривая будет нелинейна и подфокусироваться вручную в процессе всё равно придётся. Если результат интересует.

 На самом деле иногда температурная автофокусировка работала, даже на следующий день, т.е. при выключении питания запоминались во флаш памяти контроллера некоторые параметры и при включении питания на следующий день контроллер откручивал фокусер в нужную точку, но такое было два раза из примерно 20. Вероятность ведения фокусера в зависимости от температуры в ночь съемок более вероятна, хотя тоже получается не всегда. Основными условиями являются - пасмурная погода днем, чтобы телескоп не нагревался, длительный отстой при открытых фрамугах на балконе - в течении нескольких часов перед включением контроллера, так же желательно на трогать телескоп руками, поскольку он от этого оказывается солидно нагревается. Т.Е. например перенаводка с звезды по которой производилась фокусировка на объект съемки, в течении примерно минуты приводит к повышению температуры телескопа на 0.5 градуса. Т.Е повторяемости никакой. Но вы конечно правы, задача трудно решаемая, но помучится хотя бы немного надо, тем более, что все таки существуют серийно выпускаемые устройства подобного типа, совсем не работать они не могут.

[echech]

кривая будет нелинейна

Почему?
Как раз линейность скорее всего гарантировна - малые изменения, то есть работа идет в дифференциальном приближении и нелинейности взяться неоткуда.
С повторяемостью будет хуже ввиду температурных различий узлов и деталей в разных условиях работы (ориентация, скорость дрейфа и т.д.).

[LifeIsGood]

Люди как-то снимают без термокомпенсации. Так что с термокомпенсацией хуже быть не должно.