perjantai 14. kesäkuuta 2013

Harrastajan kaukoputki: Okulaarit - osa 2

Nykyaikaisen okulaarin rakenne:
1 objektiivin tuottama kuva,
2 kuvakentän rajoitin, linssiryhmät joissa
valon kulkusuunnassa ensimmäinen on kenttälinssi
ja silmää lähinnä oleva on silmälinssi,
3 eye relief -etäisyys,
4 ulostulopupilli. Okulaarin muodostama
kuva muodostuu silmän verkkokalvolle.
Kuva Wikimedia Commons.

Edellisessä artikkelissa käsittelin joitakin okulaarien tärkeitä ominaisuuksia. Tässä artikkelissa jatkan teemaa, ja käsittelen muutamia muita ominaisuuksia.

Aukkosuhde

Aukkosuhde on tutumpi käsitteenä kaukoputkissa kuin okulaareissa. Kuitenkin se on olemassa ja sen laskeminen on hyvin helppo objektiiveista tutulla kaavalla:

1/f = dkk ÷ fok  ,jossa

1/f on aukkosuhde
dkk on kenttälinssin tai kuvakentän rajoittimen halkaisija [mm] tai Barlow-linssin halkaisija
fok on okulaarin polttoväli [mm]

Kuvakentän rajoitin on okulaarin liitinputken sisällä oleva rengasmainen levy. Se on kiinnitetty polttovälin etäisyydelle okulaarista ja näkyy katsottaessa okulaarin tuottamassa kuvassa terävänä reunana. Usein se kuitenkin saattaa puuttua, silloin okulaarin kuvakenttä on kenttälinssin (linssi, joka on ensimmäisenä valon tulosuunnassa) kokoinen ja linssin halkaisija voidaan käyttää kuvakentän halkaisijana.

Aukkosuhde vaikuttaa moneen asiaan, esimerkiksi okulaarin difraktioon. Jos aukkosuhde lähentelee sellaista arvoa, missä difraktioraja ylitetään, kuva on pehmeä vaikka kuinka huolellisesti yrittäisi kaukoputken tarkentaa kohteeseen. Jokaisella okulaarityypillä on oma difraktiorajansa, joten mitään yleistä sääntöä sen määrittämiseksi ei ole. Jos silmälinssi on hyvin pieni (~ 3–5 mm) liikutaan helposti difraktiorajan tuntumassa, jos okulaarin yhteydessä käytetään Barlow-linssiä.

Kaupalliset okulaarien valmistajat ovat pitäneet huolta, että yleensä okulaari valmistetaan sellaisilla mitoilla, että difraktion aiheuttamasta epätarkkuudesta tai kuvan pehmeydestä ollaan vielä hyvin kaukana. Barlow-linssiä käytettäessä difraktioraja saatetaan kuitenkin saavuttaa, jolloin kuva muuttuu pehmeäksi. Tästä syystä kahta barlowia ei pitäisi käyttää samanaikaisesti.

Ulostulopupilli

Käsite pitäisi olla tuttu jo kaukoputkia käsittelevistä artikkeleista. Sillä tarkoitetaan okulaarin silmälinssistä tulevan kartion halkaisijaa silloin kun se kohtaa silmän pupillin. Ulostulopupilli pitäisi olla mahdollisimman samansuuruinen kuin mitä silmän pupilli on. Jos se on suurempi, hukataan kaukoputken keräämää valoa, ja jos se on pienempi, silmän kohdistaminen oikeaan kohtaan vaikeutuu merkittävästi.

Viimeksi mainittu tilanne voi syntyä jos kaukoputkessa käytetään suurta suurennusta (=pieni ulostulopupilli) ja havaintoja tehdään päivällä (pieni silmän pupilli). Tällöin havaitsija voi olla vaikea pitää päätään ja silmäänsä hyvin tarkasti ulostulevan valokartion kohdalla ja ongelma näyttäytyy tummina munuaisen muotoisina alueina kuvassa.

Ulostulopupillin voi laskea kaavasta

dp = D ÷ s  , jossa

dp on ulostulopupilli
D on kaukoputken objektiivin halkaisija [mm]
s on suurennus.

Esimerkki. Kaukoputken objektiivin halkaisija on 150 mm ja siinä käytetään 30× suurennusta. Mikä on ulostulopupilli?

dp = 150 mm ÷ 30 = 5 mm

Vastaus on 5 mm.

Jos ulostulopupilli on suurempi kuin silmän pupilli, niin silloin kaukoputken kokoamasta valosta kaikki ei päädy verkkokalvolle muodostuvaan kuvaan, vaan osa hukkaantuu. Visuaalihavainnoissa erityisesti syvä taivaan kohteita havaittaessa tätä tilannetta pitäisi välttää, sillä kyseessähän on himmeät kohteet, joista ei yleensä tule riittävästi valoa silmän verkkokalvolle muutoinkaan.

Esimerkki. Kiikarin ulostulopupilli on halkaisijaltaan 7 mm (esimerkiksi 7×50 kiikari), mutta silmän pupilli on vain 3,5 mm. Kuinka suuri osa kerätystä valosta päätyy verkkokalvolle?

Pupillien pinta-alojen suhde on

1 ÷(dup ÷ dsp)2 , jossa

dsp on silmän pupillin halkaisija [mm]
dup on kiikarin ulostulopupilli.

Sijoitetaan kaavaan ja saadaan
1 ÷ (7÷3,5)2 = ¼

Vastaus on, että vain ¼ osa päätyy verkkokalvolle.

Valonkeräyskyvyn puutteellinen hyväksi käyttäminen voi nousta esiin myös toisessa yhteydessä, jossa sillä voi olla hyvin suuri merkitys. Se tilanne on silloin, kun kuvataan pienellä kuvakennolla varustetulla (ccd)kameralla kaukoputken primäärifokuksesta. Tällöin vain pieni murto-osa kaukoputken kokoamasta valosta päätyy kameran kennolle.

Tavallisesti kaukoputkien kuvakentän laajuus on noin 26 mm (1,25”-järjestelmä) tai 40 mm (2”-järjestelmä). Jälkimmäisessä tapauksessa järjestelmäkameran kuvasensorille saadaan täysin valaistunut kuvakenttä ja kaukoputken kokoamasta valosta ei kovinkaan suuri osuus mene hukkaan. ABS-kennoisen (ns. groppikamera) hukkaama valomäärä on jo oleellisesti suurempi, jos ei käytetä kaukoputkea, joka on suunniteltu 1,25”-järjestelmälle. CCD-kamerassa vielä valon hukkaaminen on vieläkin suurempaa johtuen pienestä kennosta. Kaukoputken valmistaja yleensä kertoo täysin valaistuneen kuvakentän koon.

Edellä kuvattu tilanne voidaan ratkaista kahdella tavalla:

·         Puuttuva valo joudutaan korvaamaan pidentyneellä valotusajalla, ja valotusajan pidentyminen on suorassa suhteessa kameran sensorin ja kaukoputken kuvakentien pinta-alojen suhteeseen.  
·         Käytetään okulaarisuurennusta siten, että kaukoputken lähtöpupilli on suunnilleen ccd-kameran kuvakennon kokoinen. Tällöin kerätty valo päätyy kennolle ja voidaan käyttää pienikokoisempaa kaukoputkea.

Yhteenveto

Hyvälaatuinen okulaari moneen
käyttötarkoitukseen.
Kuva Kari A. Kuure.
Näissä kahdessa okulaareja käsittelevässä artikkelissa olen tuonut esille joitakin okulaarien ominaisuuksia, jotka pitäisi tuntea okulaareja valitessa niin kapan hyllystä kuin sitten kaukoputken ääressä. Hyvin tiivistetysti voi asian ilmasta siten, että hyvälaatuisella okulaarilla saadaan hyvälaatuisen kaukoputken kaikki ominaisuudet käyttöön. Jos okulaarin laadusta tingitään, hyväkin kaukoputken kuvanlaatu kärsii eikä kuva ole tyydyttävä.

Vaikka okulaarien hankinnasta on tulossa oma artikkelinsa, niin jos tässä vaiheessa painottaisin sitä, että okulaarihankinnoissa tulisi panostaa laatuun, jopa kaukoputkea enemmän, harrastuksen alkuvaiheessa. On täysin väärin ajatella, että ”hankinpa niitä laadukkaita okulaareja sitten, kun olen kehittynyt havaitsijana”.  Vaarana tässä ajattelussa on se, että harrastusinto voi lopahtaa huonoon kuvanlaatuun ja yksityiskohtien erottamattomuuteen. Hyvälaatuisen tavaran saa aina jälleenmyytyä eikä mahdollinen tappio kasva kovinkaan suureksi. Huonolaatuista tavaraa on vaikea myydä edelleen ja tappio voi olla jo paljon suurempi.