воскресенье, 30 октября 2016 г.



ТЕСТИРОВАНИЕ MAK10: "MTO-1000". FIRST LIGHT




Эта публикация представляет некоторые результаты “first light” тестирования оптической системы Максутова "МТО-1000". Были получены тестовые снимки звезд, планет, deep-sky объектов. Тестирование показало, что MTO-1000 имеет приемлемые оптические характеристики для использования в астрономических наблюдениях.
Были определены некоторые оптические параметры системы, а так же важные характеристики для будущих наблюдений: проницающая сила, поле зрения и др.




ВВЕДЕНИЕ

В последнее время тема советских телескопов и длиннофокусных объективов стала вновь актуальна в связи с ухудшением материального состояния жителей нашей страны. На арену вновь выходят такие легенды как “Мицар”, “Алькор”, БШР, МТО-1000 и др [1],[2],[3],[4].
На самом деле, MTO-1000 это не телескоп. Это фото объектив с большим фокусом. Но, любители астрономии очень часто используют это устройство именно как телескоп. Особенно он ценился во времена СССР и в пост-советский период, когда современные брэнды из Китая и других стран были еще недоступны. Так же MTO-1000  находит применение и у астрономов-профессионалов: наблюдения ИСЗ [5], метеорных потоков, кометные патрули, как вспомогательная оптика.




У конкретно этого объектива была проблема с фокусировкой: оптическая ось мениска и зеркала была смещена. После исследований объектива на оптической скамье в ГАО были устранены неполадки и телескоп показал резкую картинку. Долгое время объектив не использовался, так как сложно было изготовить надежное крепление к штативу.









Характеристики
МТО — семейство зеркально-линзовых телеобъективов системы Максутова с большим фокусным расстоянием [6]. Название "МТО" - аббревиатура от "Максутова Теле-Объектив" или "Менисковый Теле-Объектив".





Оптическая схема МТО-1000
Фокусное расстояние - 1000 мм (1000,8 мм) Относительное отверстие 1:10 Угол поля зрения 2°30' Размер кадра 24x36 мм Расстояние от первой до последней поверхности 180,82 мм Количество линз/групп 5/4 Диафрагма неизменяемая Разрешающая способность по ТУ (центр/край): 28/16 линий/мм Коэффициент светопропускания - 0,50. Габаритные размеры: длина объектива с крышками: 260 мм наибольший диаметр оправы: 158 мм Вес: 3,9 кг [7].

НАБЛЮДЕНИЯ

С 11-17 февраля 2016 был получен первый свет MAK10. На самом деле, это не первый свет. Пробные снимки делались и раньше, но именно серьезные исследования были сделаны в этот период.
14.10.2014. Андрушевская астрономическая обсерватория. Туманность Андромеды. Действительно first light. Присутствует расфокусировка. Canon 350D, ISO800, t = 217sec.

Наблюдения были проведены с MAK10 "МТО-1000" в Киеве, в условиях городской засветки, в прямом фокусе и с бесщелевым спектрографом "SA-200", с камерой ATIK CCD 314. Спектрограммы охватывают диапазон длин волн от примерно 3700А до 9000А и имеют разрешение R~200. сигнал-шум (S/N) составляет, как правило, около 10 и больше.

First night
11 февраля.
Наблюдалось несколько объектов: Sirius, M42, Юпитер, M67, β Leo. Также были получены изображения дисков Эри. В целом, результаты первых наблюдений были позитивными и обнадеживающими.
Визуальная оценка. При визуальных наблюдениях использовался кельнер-окуляр 25мм. Изображение звезд выглядело четким, каких либо аберраций не было замечено. Наблюдения Юпитера показывали четкое изображение экваториальных полос и спутников. М67 была еле видна боковым зрением.
Фотографическая оценка. При получении первых изображений стала сразу заметна кома. Поскольку фокусировка производится вращением переднего мениска, то процесс фокусировки достаточно сложный: контакт с трубой создает постоянные вибрации. Ход резьбы фокусировщика лёгкий и плавный - в будущем планируется моторизировать фокусировку с помощью пасиковой передачи.
Первый наблюдаемый объект был один из фотометрических стандартов - Сириус (Sp A0m).


Одиночный снимок спектра Сириуса


Сириус. Сумма 10 кадров

Спектр Сириуса. Видны линии Бальмера и О2

Как видно из изображений выше МТО-1000 дает достаточно приемлемую картинку: на снимках видны спектральные линии, отсутствует искажение спектра на краях (что часто бывает у рефракторов из-за сферических аберраций). График показывает нам стандартный спектр Сириуса, спектральные линии четкие и различимые. Присутствие комы в нулевом порядке не искажает изображение спектра.

Спектрограмма Туманности Ориона М42. Как видно, звезды имеют заметную кому. Видно спектры звезд и самой Туманности. Экспозиция 10х10сек

Рассеянное скопление М67. Заметна существенная кома.


В целом, результаты первых наблюдений показали, что у телескопа большие потери света, малая проницающая сила (об этом ниже) и поле зрения, а так же присутствует пережатие зеркала, что дает существенную кому.

14 февраля.
Через несколько дней появилось окно в погоде и были сделаны несколько серий снимков. Конфигурация телескопа осталось неизменной. В конструктив крепежа были внесены некоторые изменения, которые должны были уменьшить напряженность главного зеркала (болт соединения кольца с ласточкиным хвостом упирался в корпус телескопа). Улучшение конструктива дало позитивные результаты.

Спектрограмма Сириуса. Зеркало все еще имеет пережатость, но кома существенно меньше

Круги Эри в предфокальной плоскости

Круги Эри в зафокальной плоскости

На изображениях выше видно, что в оптической системе присутствуют несовпадения двух оптических элементов, что порождает аберрации. Так же есть пережатость зеркала, видимо из-за прижимного болта главного зеркала.






Качество изображения было оценено при съемке Юпитера. Видно, что МТО-1000 дает изображение экваториальных линий планеты (сложение ~50 кадров, выборка из 100 кадров). Стоит отметить, что съемка проводилась в условиях городской засветки, в ветряную погоду с не спокойной атмосферой.
Снимки скопления М67 показали похожую картину, что и в предыдущую ночь, но аберрации были существенно меньше.





15 Февраля.
Были получены дневные снимки Луны с ультра короткой экспозицией 0.001с. Это позволило получить снимки, на которых присутствуют детали поверхности спутника.

Дневное изображение Луны без линзоблока, камера Atik 314, MTO-1000 (F/7)

Основной целью тестов было извлечение линзового блока (линзы Барлоу (ЛБ)) и сравнение изображений с ЛБ, без ЛБ, с ЛБ и экспандером и ЛБ в непоредственной близости к приемнику.

Изображение Луны в 4-х комбинациях использования линзы Барлоу, камера Atik 314, МТО-1000

Результаты тестов показывают, что удаление ЛБ не несет существенных изменений в изображении.


С рисунка выше можно оценить на сколько изменяется поле зрения системы. Так же, при использовании ЛБ и экспандера заметно ухудшение резкости картинки (4-й снимок).
Стоит отметить тот факт, что изменение эквивалентного фокуса телескопа происходит не из-за изменения расстояния между мениском и главным зеркалом ( что часто встречается на астрономических форумах любителей), а из-за изменения расстояния от линзы Барлоу до приемника.
После проведенных дневных испытаний было принято решение повторить тесты системы с подобным набором конфигураций, но на ночном небе.

17 февраля.
Наблюдались объекты: α Leo, M67, Triplet Leo (M65, M66), M53, α Boo, α. CrB, M13. Также были получены изображения кругов Эри. Эта ночь была самая продуктивная.
Тестирования разных комбинаций использования линзы Барлоу показали колоссальные потери света, а ее отсутствие не внесло существенных искажений, как часто пишут на форумах ЛА. Поле зрения и светосила существенно увеличились, но при этом уменьшился вынос фокуса приблизительно до 4см.
Первыми были получены спектры Регула (Sp B7V).
Так же были получены спектры для звезд спектральных классов A0V (Гемма) и K1,5IIIpe (Арктур).

Спектр Регула. Четко видны линии Бальмера, характерные для горячих звезд
Спектр Геммы (α. CrB). Так же видны Бальмеровские линии водорода
Ниже приведены 4 снимка, которые показывают разницу при использовании ЛБ и без нее, а ак же сравнение со снимком, сделанным на рефракторе-ахромате SkyWatcher 1201(D=120mm, F/8.3). Оценки проницающей способности будут приведены ниже. Даже при беглом сравнении снимков видна разница в проницающей силе в зависимости от использования линзы Барлоу.




1. SW1201 рефрактор 2. МТО-1000 без линзы Барлоу





       3.МТО-1000 с линзой Барлоу 4. МТО-1000 с линзы Барлоу и экспандером


В конце наблюдений были получены снимки некоторых объектов Мессье в прямом фокусе, без использования корректора (F/7), с помощью астрокамеры Atik 314. Это 2 галактики М65 и М66 из Триплета Льва, шаровое скопление М13 и М53. Целью тестирования было оценить качество, детализацию, разрешающую способность.

2 галактики М65 и М66 из Триплета Льва

Шаровые скопления М13 и М53
Как видно с изображений, спиральные галактики М65 и М66 демонстрируют структуру. Легко различимы центр галактики, рукава, балдж. Суммарная экспозиция 4.5 мин (9х30сек), сложение в MAXIM DL.
Шаровые скопления М13 и М53 демонстрируют, что они легко раскладываются на отдельные звезды. Заметна структура скопления. Центральная часть скопления традиционно не разделима. Суммарная экспозиция 1.5 мин (3х30сек), сложение в MAXIM DL.
Стоит отметить, что в процессе обработки снимков была обнаружена небольшая расфокусировка. Это отчетливо видно на изображении М53 (Самое нижнее). Причем, сразу же начинает проявлять себя кома.



РЕЗУЛЬТАТЫ

Уточнение оптических характеристик.
Одной из целей тестирования МТО-1000 было получить оптические характеристики системы после изменения некоторых ее оптических элементов.
Если мы имеем изображение звезд на снимке, с известными параметрами матрицы, при этом, у нас есть снимки того же участка неба, с той же камерой, но на другом телескопе, можно легко рассчитать фокус тестируемого телескопа, зная фокус другого телескопа.
Для определения фокуса было использовано снимки М67 с Sky Watcher 1201 (F=1000mm), и такие же снимки сделанные на МТО-1000. Из не сложных вычислений было определено, что фокус без изменений оптической системы имеет ~1025mm. В заявленных характеристиках изготовителя, МТО-1000 имеет фокус 1000мм. Нужно учесть, что для увеличения рабочего отрезка объектива была внесена механическая модернизация (выкручивание стопорного кольца). Это не значительно увеличило расстояние между приемником и линзой Барлоу. Логично, что эквивалентный фокус стал чуть больше заявленного производителем. Так же, мы принимаем на веру, что Sky Watcher 1201 имеет фокус 1000мм...
Дальнейшие расчеты показали, что удаление линзы Барлоу уменьшает фокус до ~720мм, при этом, увеличение линзы Барлоу составляет ~1.4х. Этот результат коррелирует с информацией на форумах любителей астрономии.




Используя максимальный вынос фокуса телескопа, ~10см, мы получаем значение эквивалентного фокуса ~1350mm, что так же соответствует информации, фигурирующей на форумах ЛА.
Конечно же, данные расчеты достаточно грубые, но они дают параметры, которыми можно оперировать при наблюдениях.
Данные параметры так же были промоделированы в Stellarium’е - были внесены расчетные параметры в плагин и сравнено поле зрения в программе с фактическими снимками.

Оптические характеристики:
Фокус, F ~ 720mm
Диметр апертуры, D ~ 100mm
Светосила, D/F ~ 1:7.2
Поле зрения (для камеры Atik314+) (FOV) ~ 39'x48'
Увеличение линзы Барлоу ~ 1.4x
Увеличение линзы Барлоу при max. выносе фокуса ~ 2x
Проницающая сила телескопа
Для оценки проницающей силы телескопа было выбрано скопление М67. Проницающую силу телескопа всегда удобно оценивать по рассеянным звездным скоплениям, так как информации о яркости звезд внутри скопления обычно предостаточно. При этом, желательно что бы оно было компактно. Я всегда использую для этого два скопления: М67 и М29. Второе всегда доступно летом в Лебеде и очень удобно для телескопов с большим фокусом. М67 хорошо изучен и профотометрирован [8], по этому оценки яркости звезд будут достаточно достоверными.
Для оценки проницающей силы телескопа были выбраны 4 кадра, которые были приведены выше. Так же изображения с МТО-1000 сравнивались с изображениями с Sky Watcher 1201. МТО-1000 использовался в 3-х комбинациях оптической системы. Для сравнения были получены спектрограммы, по которым можно оценить проницающую силу не только звезды, но и ее спектра. Стоит отметить, что Star Analyzer 200 поглощает почти половину энергии звезды, что так же стоит учитывать при фотометрии звезды в нулевом порядке. В данном исследовании это не учитывалось. Отмечу, что для используемой экспозиции (60сек) о оценке проницающей силы по спектру говорить не стоит, так как сигнал-шум в спектре слабых звезд скопления М67 меньше 10. В среднем, это порядка 9m, что для такой апертуры и экспозиции вполне ожидаемо.
Ниже приведены результаты некоторых оценок блеска звезд.

____________________________________________________________________________________________________________________________________


M67 Claster in zero-order mode
____________________________________________________________________________________________________________________________________

Cl* NGC 2682 ZTP 1000 -- Star in Cluster

B 14.41
V 13.80
R 13.600

Exp: 60s

Optical_system S/N
SW 10.405 !!!  
MTO 6.567   !!!
MTO_LB - Overlap Sp. Can't see
MTO_LB_Ext 2.949
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Cl* NGC 2682 ES 3047 -- Star in Cluster

B 13.39
V 12.79
R 12.60

Exp: 60s

Optical_system S/N
SW 26.663 !!!
MTO 12.010 !!!  
MTO_LB 8.639
MTO_LB_Ext 8.520
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

BD+12 1926 -- Red Giant Branch star

B 10.91
V 9.63
I 8.36

Exp: 60s
Spectral type: K3III

Optical_system S/N
SW 430.954
MTO 234.715
MTO_LB 157.562
MTO_LB_Ext 122.664
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Cl* NGC 2682 ZTP 943 -- Star in Cluster

B 11.12
V 10.54

Exp: 60s
Spectral type: G2

Optical_system S/N
SW 204.610
MTO 88.123
MTO_LB 67.764
MTO_LB_Ext 51.636
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Из информации выше видно, что предельная звездная величина для МТО-1000 с использованием дифракционной решетки, в нулевом порядке, с экспозицией 60 сек составляет ~13.8m при S/N ~6.5, При этом, у рефрактора Sky Watcher1201 S/N ~10.4. Звезда 12.79m дает S/N ~12 для МТО-1000.
Хороший S/N (~100) можно получить для звезд ~10m.
Так же была сделана оценка при использовании суммирования кадров (простое сложение).  Предельный блеск звезды в нулевом порядке составил 14.6m при S/N ~6.6 для общей экспозиции 3х60сек.

Для полного анализа проницающей силы телескопа необходимо так же оценить блеск звезд в прямом свете. Поскольку наблюдения М67 в прямом свете не проводилось, то для оценки было выбрано снимок скопления М13.
Так, предельная звездная величина для звезды 2MASS J16423511+3639332 составила 13.5 (V) при S/N ~10, при экспозиции в 10сек. А для звезды HD 150998 при отличном S/N ~ 3700 предельная звездная величина составила 6.8 (V)
Результаты оценок проницающей силы МТО-1000 для удобства представлены на графике.

Напомню, что проницающая сила телескопа выражается формулой:

m = 22 + 1.25*log(t) + 2.5*log(D),

где t - время экспозиции, D - диаметр объектива в метрах.
Эмпирическим путем было определено, что посчитанная по этой формуле предельная звездная величина соответствует приблизительно S/N ~500.


ВЫВОДЫ

Тестирование длиннофокусного объектива МТО-1000 системы Максутова показало, что объектив пригоден для астрономических наблюдений в качестве телескопа.
МАК10 имеет хорошую визуальную картинку, различимы детали ярких объектов Солнечной системы (Луна, планеты), изображения звезд имеют контрастную картинку на темном фоне. Слабые или протяженные объекты трудно различимы так как светосила телескопа не высокая.
Фотографические наблюдения дают возможность получать качественные изображения при не длительных экспозициях. Спектрограммы имеют четкие изображения спектров, без искажений на краях, так как отсутствует хроматическая аберрация. Телескоп позволяет проводить фотографические наблюдения звезд с блеском ~13m при  S/N ~10.
Оптическая система имеет ряд аберраций третьего порядка. Самая существенная, кома, может быть устранена при усовершенствовании крепления главного зеркала, а так же подбором правильности витков резьбы в фокусировочной системе. Удаление линзы Барлоу существенно не изменяет качество изображения. При этом вынос фокуса стает короче (~4см), что не позволяет использовать некоторые DSLR камеры.
Благодаря своим малым габаритам и весу телескоп может стать хорошим инструментом для любителей астрономии, которые любят наблюдения за городом. Нагрузку телескопа выдерживает монтировки типа EQ1/EQ2 [9], но для более уверенной работы лучше использовать EQ3 и выше. Рекомендуется использовать внешние зажимные кольца для крепления к монтировкам, поскольку телескоп чувствительный к пережатиям оптических элементов.
Так же МТО-1000 может использоваться как компактный телескоп для вашего балкона или как телескоп-гид. Оптическая система позволяет использовать его в качестве спектрографа для наблюдений ярких объектов. Так же он пригоден для фотометрии и астрофотографии.



Список литературы:
  1. http://old.astronomer.ru/library.php?action=2&sub=2&gid=48

  2. П.П.Сухов, С.К. Волков, Г.Ф. Карпенко, и др. “О применении широкопольных линзовых объективов для задач ККП”, 2007



Asknowledgments:
I. Zinchenko, Y. Ivanov, B. Zhilyaev, K. Pokhvala, S. Zholobetsky


ПРИЛОЖЕНИЕ

Second light. Снимки сделанные 27.02.2016. Была проведена более тщательная фокусировка и сложение кадров. Состояние атмосферы хорошее.


Туманность Ориона. Экспозиция 17х5 сек. Без калибровки. Обработка MAXIM DL

Одиночный снимок спектра β Leo
Триплет Льва (М65, М66). Экспозиция 5х30 сек. Без калибровки. Обработка MAXIM DL.
Отчетливо видна структура рукавов галактики.

Диски Эри до и после фокуса. Существенных различий не наблюдается. Есть небольшая напряженность на краю, видимо из-за пережатости оправы зеркала. Получено при съемке Регула, без использования линзы Барлоу.

16 комментариев:

  1. Спасибо за интересную и полезную статью!
    Также поздравляю с наступающим 2-ух годичным юбилеем вашего первого света "first light"!

    ОтветитьУдалить
  2. Ну что-же, теперь по делу)

    Обратите внимание на оформление этой вашей статьи.

    В параграфе "Характеристики", первое изображение - чертёж МТО-1000:
    Вы разместили текст справа от картинки. На компьютере смотрится вроде нормально. Но зайдите на эту BLOGSPOT.COM.BY страницу со смартфона, и вы увидите проблему:
    Текста с характеристиками НЕ ВИДНО! Но есть большое пустое пространство на много ДЕСЯТКОВ страниц вниз! Полное безобразие!

    А причина в том что весь тот текст оказался напечатан "сбоку" от изображения, за экраном! Причём в узкий столбик!

    Исправьте!)

    ОтветитьУдалить
  3. Было бы интересно какими программами вы пользуетесь для построения графиков спектров и трёхмерных поверхностей интенсивности освещённости в кружках рассеяния.

    Параметры производителя для рефрактора дуплета Sky Watcher 1201:

    (У вас не указаны все и в одном месте! Хоть вы им и не пользуетесь уже, (читателей это не волнует :-))) для всех важны параметры упомянутого прибора, который участвует в исследовании)

    D = 120 mm; F = 1000 mm; F# = 8,3

    ОтветитьУдалить
  4. « Напомню, что проницающая сила телескопа выражается формулой:

    m = 22 + 1.25*log(t) + 2.5*log(D),

    где t - время экспозиции, D - диаметр объектива в метрах.
    Эмпирическим путем было определено, что посчитанная по этой формуле предельная звездная величина соответствует приблизительно S/N ~500.»

    Очень важная часть статьи. Честно говоря тщательное определение проницающей способности «МТО-1000», это то что больше всего заинтересовало меня в вашей статье.

    И хочется спросить:

    Вы посчитали проницание по этой формуле? У вас есть график, и упомянуты цифры, но НЕ ДЛЯ ЭТОЙ ФОРМУЛЫ! Приведите цифры пожалуйста!
    (Проницания для сигнал/шум = 500.! По формуле)
    И данные ваших измерений Проницания при получающемся С/Ш = 500.

    Я то конечно могу и уже пересчитал ваши результаты, но статья то ваша!

    ОтветитьУдалить
  5. Вы, конечно, не подумайте что я хочу к вам придраться)))

    ОтветитьУдалить
  6. Обычно нужно всегда уточнять фразы:

    «Эмпирическим путем было определено, что посчитанная по этой формуле предельная звездная величина соответствует приблизительно S/N ~500.»

    Кем было определено? Это важно.

    ОтветитьУдалить
  7. « где t - время экспозиции »

    Не указано, В каких единицах времени (уж не в секундах так точно) имеется ввиду?

    ОтветитьУдалить
  8. « m = 22 + 1.25*log(t) + 2.5*log(D) »

    Американцы любят всё путать на свой манер. " log " Обозначает у них и обычный, и натуральный, и десятичный.
    Здесь имеется ввиду десятичный логарифм, и он должен писаться " lg ", даже если американские светила так не делают! И на это есть международный стандарт ISO!

    ОтветитьУдалить
  9. « m = 22 + 1,25 × Lg(t) + 2,5 × Lg(D) »

    Так лучше. HTML Blogspot не понимает, так что ещё лучше не сделать

    ОтветитьУдалить
  10. Этот комментарий был удален автором.

    ОтветитьУдалить
  11. Кстати, чья эта формула? Кто автор? ( как, например, формула проницания Боуэна...)

    ОтветитьУдалить
  12. Подписывайте, пожалуйста, все ваши иллюстрации, и поподробнее. Под некоторыми фотографиями подписана выдержка:

    « Триплет Льва (М65, М66). Экспозиция 5х30 сек. Без калибровки. Обработка MAXIM DL.
    Отчетливо видна структура рукавов галактики. »

    И не подписано:
    1) на какой фотоаппарат или камеру снималось
    2) на какой объектив. А если это и «МТО-1000», то в какой модификации, и с какими параметрами?
    «МТО-1000» обычный 1000/10, или
    «МТО-1000» без корректора поля 720/7,2, или
    «МТО-1000» со смещённым мениском 1350/13,5?

    Это также касается графиков, хотя, наверное, у всех ваших модификаций «МТО-1000» аберрационные кружки будут очень похожи.

    И подписывайте чувствительность фотокамеры под снимком.

    Всё это по контексту непонятно, да и наверняка не все будут досконально изучать вашу статью.

    Обычно все фотографы, и особенно астрофотографы, подписывают параметры.
    Не бойтесь быть слишком подробным!

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Спасибо, что указали на эти моменты.
      Когда пишешь, то многие вещи кажутся очевидными, а со стороны выглядит по другому.
      Исправил.

      Удалить
  13. И как вы определяете отношение СИГНАЛ/ШУМ?

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. В целом, SNR определяется по формуле:
      SNR = I(signal)/I(noise)

      Вы можете померить интенсивность шума фона неба возле звезды (ил в разных точках кадра усреднить), и померить интенсивность звезды. Тут есть тонкость, мерить ли всю интенсивность "гауса" звезды, или на полуширине.
      Я меряю всю. Но делаю это не так как выше описал, а с помощью MAXIM'а, он сразу выдает значение S/N. В неем же можно померить интенсивность.

      Удалить