初試牛頓鏡光軸調整

自從抱回這支 8" F/4 的牛頓鏡後, 裝上 Telrad, 再配隻高橋 6x30 尋星鏡, 看起來真是虎虎生風. 不過內在是空虛的... 因為光軸已經被我調爛掉了, 天上每顆星星看起來都像拖著尾巴的彗星.

大家都說養牛的第一件事就是要學會調光軸, 果然沒錯.
因此亂七八糟 K 了一堆資料之後, 決定開始動手做做看了.

圖片大多是用 Nils Olof Carlin 大師, 公認 collimation 經典之作: FAQ about Collimating a Newtonian Telescope (http://web.telia.com/~u41105032/kolli/kolli.html) 裡的圖片:

調好光軸的 "需求" 是什麼呢?
光看下面這張圖, 就算外行如我, 也能想像...
藍色是主鏡光軸, 紅色是目鏡光軸, 當藍色與紅色合而為一, 光軸調整就大功告成, 這是第一, 也是最重要最基本的需求.

當然如果能滿足底下其他的需求就更好了:

# 最好主鏡那條光軸(藍線)可以打在次鏡中央
不過理論上, 次鏡不過就是一片"平面"鏡,
所以就跟照鏡子一樣, 不管打在次鏡那裡, 反射的"成像"應該都相同,
就像你照鏡子時, 不會因為站左或站右, 照出不一樣的自己吧?
但是對於目視使用, 沒打在中央會造成視野邊緣的一些光損.
這應該就是大家在算次鏡位置 offset 的原因吧?
先不管這個 offset , 等我未來進階一點再來...

# 次鏡可以正 90 度的反射光
了解次鏡是一片平面鏡這個事實, 讓我大大放心,
至少 "成像" 不會被影響得太過離譜.
就像照鏡子的例子, 不管從什麼怪角度照, 至少不會像照曲面鏡一樣, 變形變得怪裡怪氣吧?

次鏡要正 90 度的反射光, 那它的傾斜角度理論上應該是恰好 45度.
位置剛剛好時, 橢圓形的次鏡看起來會變正圓形, 不然一定會有一點點橢圓.
不過... 這也是最多就造成一些光損, 所以沒關係, 沒關係...
如果, 萬一... 除非很衰, 連對焦座都是歪的, 那就要從一開始我不想做的對焦座校正開始了...

# 主鏡那條光軸(藍線)平行於鏡筒
沒平行的話, 會被鏡筒開口處的進光影嚮, 造成散射的雜光...

所有 "需求" 就這樣,
基本上符合以上條件越多, 光軸就越準.

說實話, 第一項最重要, 其他影響並不太嚴重,
嚴格說, 如果加上考慮到機械部分的誤差, 如鏡筒強度, 彈性, 間隙...
還有一堆根本無法精確估計或控制的部分...
後面這些小需求, 說真的, 調再準也沒用.


#########  開始調光軸  #######################################

因為懶, 所以省略掉很多人一開始先做的 "對焦座校準" 部分, 直接先調整次鏡.

次鏡要調什麼呢?
第一步: 把次鏡調至鏡筒中央,
調整次鏡支架, 最簡單的方法就是用尺量每根支架長度是不是一樣,
我覺得不好量也不容易精準.
還有一個方法是拿一張硬紙板,
大小可以蓋住鏡筒開口, 想辦法在"中央"開個小洞, 一定要很中央喔,
然後從小洞看進去, 要只能看到次鏡座屁股的調整螺絲而已, 不能看到其他像支架之類的.

第二步: 把次鏡對準對焦座,
這一步驟蠻費工的, 不過調準後, 未來很少會再動到.
目的呢? 應該就是得到最大的反射光亮,
offset 會在這個步驟計算,
不過... 數學不好人又懶, 先放棄計算這個.
至於工具, 我是用所謂的 collimation cap, 長這樣:

實在應該買 2" 的,
1.25" 的還要用轉接環, 現在的東西精度有夠差, 多一個環就多一份誤差.
把這個東東放進目鏡座看進去...
保證跟你從書上或網路照片看到的畫面 "不" 一樣, 哈哈...
有一個小秘訣:

拿張白紙, 擋在次鏡前方, 避免反射一堆其他影像,
因為我現在只是要調次鏡.
其次, 對焦筒正下方用另一個不同顏色的布鋪著, 這樣不會看進去全部黑摸摸混在一塊...
所以呢, 我用 iphone 拍下大致看進去的樣子:

這樣的對焦座對面的底色,
才可以清楚襯托出 "對焦筒的圈圈", "次鏡的圈圈",
連次鏡座都很清楚, 這樣調什麼同心圓, 才好調整嘛.

這裡可以調的有:
次鏡座屁屁中央可以調次鏡前後的螺絲,
次鏡座屁屁有三個可以調次鏡傾斜的螺絲,
次鏡傾斜螺絲稍微鬆開的話, 還可以旋轉整個次鏡座.

大致上...
"旋轉" 次鏡座, 可以讓次鏡位於次鏡固定座中央,
調中央螺絲讓次鏡前後移動, 可以讓次鏡看起來變圓,
至於 "次鏡的圈圈", 位於"對焦筒的圈圈" 中央.... 應該在前面的"步驟一"就要完成,
不然就要回頭再調.

說"大致上", 是因為我調到後面根本是混在一起調了,
總之想辦法讓:
"次鏡位於次鏡固定座中央",
"次鏡看起來是圓的",
"次鏡的圈圈位於對焦筒的圈圈中央"...

不過問題是... 沒辦法 "非常" 精準啊?
我的意思是, 怎樣叫 "次鏡很圓"? 又沒有圓規可以量. 怎樣是 "位於中央"? 又沒有刻度,
所以... 目前只能靠雙眼啦.

圖和小秘訣是用活躍在 Stargazer's Lounge 的 AB 姊姊 Astro-Baby:
http://www.astro-baby.com/collimation/astro%20babys%20collimation%20guide.htm

第三步: 調整次鏡的傾斜角度, 使目鏡光軸(紅線),  能夠沿著主鏡光軸(藍線)對準主鏡中心點,
這一步驟就是拿雷射調時, 把射到主鏡的雷射紅點調到主鏡中心標誌的那個步驟.
如果你要在下個步驟用雷射調主鏡的話, 目前這個步驟三一定要做到 "超...."完美,
否則就會錯上加錯, 把主鏡光軸調爛掉.
由於對焦座 "機械" 部分的誤差, 精度又不好,
雷射筆在對焦座間隙間搖搖晃晃下, 根本難以把紅點固定住.
如果以此充滿誤差可能的風險下為基準,
在下個步驟用雷射調主鏡幾乎都是錯的.

回來繼續用 Collimation Cap 調,
先拿掉剛剛方便調次鏡的白紙, 黃布...
頓時看起來複雜許多, 我仔細地畫下看到的景象:

這是當時還沒調次鏡 "位置" (步驟1, 2) 時畫的.
調完後 (#4 對焦管座)以內的圈圈, 已經是向 9 點鐘位置靠了.

這一定要補充說明一下,

第一, 我怎麼知道什麼圈圈是什麼呢?
這很要緊, 因為兩個鏡子反射再反射,
會搞不清楚是第一次反射的影像還是第二次反射的?
我是用 "摸" 的,
小心把手伸進去摸摸對焦座, 次鏡... 的邊緣, 然後就會知道了.

第二, (#5 次鏡... 紅圈) 是主鏡反射的次鏡影像,
那... "實體" 的次鏡從對焦筒看進去, 是幾乎跟上圖最外圈 (主鏡) 貼合一起的,
因為你會看到"主鏡", 是從"次鏡"反射的呀.

好, 現在不管其他一堆圈圈了,
專心把次鏡圈圈 (#5 次鏡... 紅圈) 調到主鏡 (最外圈) 的中心,

要動到的東西就是次鏡固定座屁股哪三顆次鏡傾斜調整螺絲,
"精度" 還是一個問題, 怎樣叫"中央"呢? 沒刻度, 只能靠雙眼...

還有, 別忘了... 也要把主鏡 (最外圈) 放在超不明顯的 "實體" 次鏡中間,
由於兩者貼得很緊 (如果你前面步驟有調準的話), 背景顏色又相近, 不是很容易辨識.

有個 AB姊姊的小秘訣是,
想辦法看見固定夾主鏡那三個(或更多)的小夾片,
而且小夾片與 "實體" 次鏡的間距(很小) 要等長.
我發現對焦座筒會遮掉其中一個小夾片, 所以要把對焦筒往上升起來才不會遮住...

如果很難調到同心圓,
動那三顆傾斜角調整螺絲還不夠,
因而又再度動到次鏡固定座的中央調整螺絲, 甚至得旋轉次鏡固定座的話,
那又要再回到步驟二, 甚至步驟一, 重複校準次鏡位置了,

第四步: 調整主鏡傾斜角, 使目鏡光軸(紅線) 能沿主鏡光軸(藍線)對準主鏡中心點, 又準確的沿原路反射回來
這一步驟我覺得最簡單了,
調整主鏡筒底端的三顆螺絲即可,
像我這隻有六顆, 其實三顆白色的是固定螺絲, 另外三顆黑色的才是調整螺絲.

這個步驟就把主鏡中心標記調到所有圈圈的中心就好,
其實... 我的調不到, 主鏡中心標記有點偏左, 跟下圖一樣
圖是用 CN refrector 版大師 Jason Khadder. 的圖. Jason K. 做一堆動畫, 實在厲害...

這是 F/5 或更短焦牛頓的圖, 長焦的會長這樣:

之後就是星點測試什麼的...

我這樣土法煉鋼調完, 實際使用, 目鏡中央點真的還不錯,
沒有彗尾了, 失焦時 airy disk 也很同心圓,
不過要提一下... 真的很難有一圈又一圈的漂亮艾利盤面,
能"清楚"看到的就只是像甜甜圈罷了,
中間一個黑洞, 外面一圈亮環,
要很仔細看才能注意到那圈亮環, 其實有明暗相間其他的環,
是鏡片太差嗎?

1/22 看月球, 3.5mm (230X) 竟可看見柏拉圖坑內的中央小坑, 2.5mm (320) 沒那麼清楚, 可能是因為雲來雲去的原因. 誰說一個小 collimation cap 不能調好 F/4 8" 牛呢? 哈哈...


########## 最後記一些閱讀心得 #########################################

回到第一張圖...
談到最重要也最基本那條需求...
藍色是主鏡光軸, 紅色是目鏡光軸, 當藍色與紅色合而為一, 光軸調整就大功告成...

但是如果無法 "合而為一", 那就會產生下圖兩種典型的錯誤,
其中 "1A" 型錯誤, 是目視者最傷的一種, 我一定要描述一下, 因為看了好幾次 Nils 的文章才 "有點" 看懂, 不寫一下心得不行...

我們知道主鏡是一種 "曲面" 的鏡子,
可以想像, 曲面最中央那 "點" 應該 "最不曲", 所以其反射的成像, 就如照衣鏡般, 必定完美,
但隨著逐漸遠離中央那點, 鏡面越來越曲, 反射成像也逐漸變差, 彗尾於是出現.

目鏡也是類似情況, 光軸最中央聚焦處成像完美,
但是靠近目鏡視野邊緣, 或多或少看起來都不會有中央處那麼銳利與清晰,
不過其最主要的原因是導因於目鏡的散射(astigmatism)現象,
這個超複雜, 可以參考: http://toothwalker.org/optics/astigmatism.html

而且你知道嗎? (1A) 提到的不銳利與不清晰, 主要是源自於"目鏡" 那邊,
而前面提到的主鏡的彗像影響, 只佔一點點點點...

為什麼呢? 我想了老半天...
我猜, 是不是因為主鏡的光軸(藍線), 最佳成像的光柱面積(Cone)比較大(相對於目鏡那邊光柱),
而且其遠離最佳成像區劣化的程度比較緩慢 (相對於目鏡光軸(紅線)那邊光柱),
所以目鏡光軸(紅線)的偏離, 所以才被認為是 1A 的罪魁禍首?

總之, 在 (1A) 情況裏, 主鏡的光軸(藍線)離目鏡光軸(紅線)越遠, 彗像差就越嚴重,
那麼, 反過來說, 紅藍線要靠多近才能得到最好的成像呢?
當然答案 "合而為一" 是最好啦,
但是在現實環境難以達到精度百分百的情況下, 退一步可以探討所謂的 "容忍值",
這樣在校正各個項目時才知道哪個一定要調很準, 哪個可以差一些些...
以這個紅藍線距離當作直徑的整個圓周平面, 就是所謂的 "甜蜜點".

甜蜜點卻與主鏡的 F 值息息相關,
這點也不難想像,
短焦, 看起來就是把光聚焦的距離弄短, 所以主鏡曲度一定很大,
這個隨手在紙上畫一個很曲與不曲的鏡面, 再隨便畫幾條光軸相交的直線就知道啦,
主鏡曲度大, 那麼遠離中央點所造成成像劣化程度一定很快,
所以甜蜜點的大小...
f/8 的還有 11mm (好讚) 的誤差容許,
f/6的也有 4.8mm,
到 f/5 只剩 2.8mm,
f/4 只剩 1.4mm...
甜蜜點大小的算法超出我這個外行人的了解了, 不過大致上好像以 Rayleigh 的繞射限制公式有關, 那也合理, 因為畢竟是在計算肉眼可以辨識的情況當前提吧?

再回到目鏡光軸這邊, 我來試算看 320X 下(我最短焦的目鏡 2.5mm), 這支 F/4 情況如何呢?
320X, 那麼出瞳徑就是: 0.625 mm... 這接近放大能力極限了, 再大(EP< 0.4mm)眼睛就看不見啦.
拜TV Nagler T6高超技術所賜, 82 度的目鏡, 實視野算下來 TFoV 就是: 0.26 度, 約 4mm.
F/4 甜蜜點 1.4mm, 比目鏡實視野 4mm 還小.
意思就是, 甜蜜點很容易落在目鏡光軸不清晰不銳利的區域.

這樣的話, 是不是可以說, 整個實視野都很銳利的目鏡, 就是短焦牛頓的救星?
或者導出一個另一個結論, 花錢買超廣角但實視野邊緣劣化嚴重的目鏡, 還不如把錢省下來買視野較小但整個面積都完美的目鏡? 所以難怪許多經典的行星目鏡(需要超高倍)都是 OR 目鏡?

那... (1B) 呢?
(1B) 很明顯就是目鏡光軸(紅線)與主鏡光軸(藍線)有夾角,
經過一串複雜的運算... ㄜ.. 沒想去弄懂它, 誤差容忍值(可以離正確光軸中心的誤差距離)可以有 0.034 乘以 口徑 (或口徑除以30), 所以我的 8" f/4 就是 6.8mm. 還不賴, 至少比 1A 那個 1.4mm 好太多了吧? 而且, 有沒有發現, f 值相關的在那段我不想弄懂的公式中都在分子分母被消去了, 也就是說, 容忍值最後只與主鏡口徑有關?

所以, 假設其中一條光軸沒調準, 然後用那條錯誤的光軸為基準去調整另一條, 很可能最後竟讓兩條光軸無法交會. 也就是說, 活生生把 1B 變成致命的 1A 錯誤... 這也是大師們都不建議用隨便非專業的雷射調整器去調的原因, 因為太容易因小錯而大錯了.

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這些菜鳥心得當然不是原創的, 雖然有加上一點點心得...
主要參考並推薦的文章有:

# Astro-Baby (http://www.astro-baby.com/)
http://www.astro-baby.com/collimation/astro%20babys%20collimation%20guide.htm
# Sky & Telescope 寫 Binocular Highlight 專欄的 Gary Seronik (http://www.garyseronik.com/)
http://www.garyseronik.com/?q=node/169
# 大師 Nils Olof Carlin 經典之作:
http://web.telia.com/~u41105032/kolli/kolli.html
# Mel Bartels:
http://www.oarval.org/collimatE.htm
# 廠商如 Howie Glatter:
http://www.collimator.com/coltext.htm#newton