Aberrazioni Ottiche e Star Test

Ogni schema ottico rappresenta una sfida tra l' abilità dell' uomo e le leggi che governano il fenomeno della luce e della sua natura.
Il telescopio nasce come strumento di raccolta di questa radiazione luminosa, mentre nell' occhio umano tale potere è quantificabile in 1x, nei sistemi ottici per osservazione astronomica e naturalistica tale potere di raccolta incrementa proporzionalmente al diametro dello strumento. Secondo la formula D quadrato/ (7)quadrato ove D è il diametro dell' obiettivo e 7 è il diametro della nostra pupilla in mm alla massima dilatazione, uno strumento con specchio di 130mm (ostruzione a parte) è quindi in grado di raccogliere ( 130x130 ) / 49 cioè 343x in più rispetto al nostro occhio.

Poichè la maggior parte delle superfici di lenti e specchi che compongono un sistema ottico derivano da una calotta di natura sferica, vengono introdotte delle alterazioni tra l' immagine reale e quella "virtuale" che andiamo ad ingrandire col nostro strumento.

Tali alterazioni vengono definite aberrazioni ottiche e devono essere tenute sotto una determinata soglia per non compromettere le prestazioni di un telescopio. Esse a seconda del loro contenimento sono indice della qualità,  dei pregi e difetti di un sistema ottico.

Come si individuano e cosa comportano nel nostro strumento? cosa significano nomi come Coma, Sferica, Astigmatismo, Cromatismo....?
La questione è come al solito complessa e cercherò di esporla nel modo più breve ed esaustivo possibile.

 Le aberrazioni si classificano in Policromatiche-Monocromatiche-Assiali ed Extra Assiali.
 
Aberrazioni policromatiche:
 Sono quei tipi di aberrazione che caratterizzano un sistema di tipo rifrattivo ad esempio l' aberrazione cromatica assiale e laterale,  per la cui spiegazione approfondita rimando al mio relativo articolo pubblicato su questo Sito.
Aberrazioni monocromatiche:
 Sono rappresentate da tutte quelle altre aberrazioni di tipo non cromatico che non coinvolgono le lunghezze d'onda dello spettro. La sferica ne è un esempio.
Aberrazioni assiali:
 Riguardano sorgenti luminose che percorrono e giacciono sull asse ottico e su quest' ultimo si verificano.
Aberrazioni extra-assiali:
  Riguardano sorgenti luminose che provengono da zone esterne all' asse ottico ed esternamente ad esso si verificano.

 STAR TEST

 Per la natura ondulatoria della luce, un immagine stellare prodotta da un obiettivo otticamente perfetto presenta nella posizione di  fuoco la figura osservabile nella foto sottostante.

Il falso disco stellare chiamato disco di Airy  dal nome dell astronomo e fisico George Airy che teorizzò questo modello, è costituito da una zona centrale luminosa a cui segue un anello di diffrazione che deve essere perfettamente circolare, talvolta è possibile osservarne un altro più esterno, ma meno netto e luminoso. Questo rappresenta il punto più piccolo su cui è possibile far convergere una sorgente luminosa e diminuisce all' aumentare delle dimensioni dell' obiettivo e quindi del suo potere risolutivo.
Un sistema ottico la cui risoluzione  non è  più limitata dalle imperfezioni delle superfici si definisce limitato dalla diffrazione.

Sfuocando le immagini in intra ed extra focale, ossia leggermente in avanti e poi in dietro rispetto alla posizione di fuoco si devono osservare sempre per la natura ondulatoria della luce e per l' interferenza fisica le due figure sottostanti:



Ogni alterazione delle due figure è indice di presenza di una o più aberrazioni.
Negli schemi ostruiti che utilizzano uno specchio secondario sarà presente uno spot centrale scuro dato appunto dalla superficie ostruita.

Ecco in breve alcuni esempi di difetti ottici evidenziabili da uno star test.

La coma:

 E' una aberrazione data dal fatto che i raggi provenienti dalle zone extra-assiali si focalizzano su piani diversi. I fasci di raggi passanti per le zone distanti dal centro vengono focalizzati dando origine ad anelli luminosi provenienti dalle diverse zone di apertura del sistema ottico. La sovrapposizione di questi anelli luminosi crea un immagine stellare a forma di cometa ( la chioma ), una v con la punta rivolsa vero l' interno o l' esterno a seconda che la coma sia positiva o  negativa. Questa aberrazione extra-assiale è una caratteristica di alcuni sistemi ottici molto aperti come i  Newton e per ovviarne è necessario un correttore di Coma. Se tale difetto è presente però nelle zone centrali di qualunque strumento indica una scollimazione, sotto un esempio:

Astigmatismo:
 Questa aberrazione, anche se appartenente alla famiglia delle aberrazioni extra-assiali può verificarsi in asse quando siamo di fronte ad un obiettivo lavorato male. L' astigmatismo come aberrazione extra-assiale si ha quando una superficie ottica presenta curvature diverse nelle diverse direzioni. I raggi provenienti da uno specchio o da una lente che incidono sul suo piano orizzontale vanno a fuoco più vicini di quelli che incidono sul suo piano verticale. Ad un punto oggetto non corrisponde più un punto immagine ma una figura di aberrazione. Per la causa sopra descritta attraversando la posizione di fuoco dall' intra all' extra focale avremo un cambio di asse, ben visibile nella foto sottostante. Può esservi astigmatismo anche quando le ottiche risultano tensionate o pesantemente scollimate. Questa aberrazione è chiamata anche sferica trasversale.

Aberrazione sferica:

 Questa aberrazione assai deleteria appartiene alle aberrazioni monocromatiche assiali ed è caratterizzata dalla mancanza di un punto di fuoco univoco.
I raggi marginali vengono focalizzati in un punto dell asse ottico diverso da quello in cui vengono focalizzati i raggi assiali-parassiali.
Si viene a creare pertanto la presenza di più fuochi, uno marginale ed uno assiale. Questo fuoco indefinito crea una figura simmetrica complessa chiamata caustica di riflessione o di rifrazione. Quando il fuoco costituito dai raggi marginali è più vicino all obiettivo rispetto al fuoco parassiale abbiamo una sferica sovracorretta, quando è invece il fuoco parassiale ad essere più vicino rispetto al fuoco marginale abbiamo una sottocorrezione sferica.
Nello star test tale fenomeno si evidenzia così:

In strumenti ostruiti si individua facilmente in quanto si ha un cambio di dimensioni dello spot centrale rispetto alle due posizioni di fuoco a seconda che vi sia una sottocorrezione o sovracorrezione sferica.
A fuoco la stella presenta l' immagine visibile a sinistra ove i dischi di diffrazione appaiono rinforzati e più luminosi.
La mancanza di un punto di fuoco ben preciso è ben evidenziabile dallo snap test, la causa è una netta perdita di contrasto e di potere risolutivo.
Poichè è molto più economico e semplice costruire uno specchio sferico è facile incontrare in riflettori questa aberrazione. Nei Newton lo specchio parabolico si utilizza proprio per eliminare questo problema, essendo infatti la parabola una curva conica che possiede due fuochi di cui uno all' infinito è possibile per la natura di questa figura far convergere i raggi paralleli nella posizione di fuoco univoca eliminando la sferica.  C'è però da segnalare che uno specchio parabolico risulta più sensibile alla coma di uno specchio sferico. A meno di non utilizzare lenti o superfici asferiche un residuo di questa aberrazione permane in quasi tutti i sistemi ottici.

Altri problemi evidenziabili dallo star test:

 Tra gli altri difetti ottici che non sono costituiti proprio da aberrazioni ottiche, ma da problemi meccanici o di lavorazione rientrano i tensionamenti di un obiettivo e gli errori zonali.

L' errore zonale se non contenuto  può compromettere le prestazioni di uno strumento ed è dato dal fatto che in fase di lavorazione alcune zone dell' obiettivo vengono lavorate di più o di meno rispetto ad altre, i principali errori zonali sono dati da rialzi o picchi, valli e ribattiture ai bordi. Anche una lavorazione troppo "meccanica" delle superfici ove manca la mano dell' uomo può generare tali difetti.

Sotto un immagine intrafocale di uno strumento affetto da errori zonali..si genera un aberrazione simile a quella sferica, ma comunque meno incidente sulle prestazioni della prima,  specie quando tali errori vengono contenuti molto all' interno del disco di diffrazione.

Tensionamenti:
 Si evidenzia chiaramente con un immagine stellare deformata nei punti in cui le meccaniche o altri elementi esercitano una eccessiva pressione o stress sulle superfici ottiche. Difetto molto simile all' astigmatismo, ma in questo caso non generato da un errore di lavorazione o di superficie.

E' rimediabile diminuendo la forza esercitata da sistemi di bloccaggio, ma talvolta se lo stress è indotto da sostanze utilizzate per incollare o cementare gli elementi ottici non è possibile porvi rimedio... ciò può accadere ad esempio in un rifrattore a doppietto o tripletto cementato oppure in un newton il cui secondario è stato incollato sul suo supporto con un materiale non idoneo.

Sotto un esempio di stress ottico dovuto a pinzatura meccanica:

I casi riportati in foto rappresentano situazioni estreme che purtroppo possono verificarsi e che in strumenti venduti al limite della diffrazione devono essere causa di sostituzione o di riparazione in garanzia.
Le immagini riportate sono state da me realizzate con un programma di simulazione. La valutazione di uno star test richiede esperienza oltre alla  esecuzione e ripetizione dello stesso in condizioni di calma atmosferica.
Consiglio agli astrofili, salvo la presenza dei gravi difetti 
trattati di non ossessionarsi troppo sullo star test ma di guardare a fuoco, motivo per cui i telescopi sono creati!

    

Davide Sigillò