Att kollimera Newtonteleskop

Kollimering, vad är det egentligen?

Det innebär att rikta upp de optiska komponenterna (linser, speglar, prismor, okular) i rätt inbördes lägen. Detta måste göras noggrant, om inte bildkvaliten ska bli lidande.

Det finns många olika typer av teleskop - refraktorer, Newtonteleskop, Schmidt-Cassegrain etc. Alla måste vara väl kollimerade för att fungera bra, men de har olika optisk design och här håller jag mig till Newtonteleskop, den enklaste typen av spegelteleskop (Dobsonteleskop hör hit!).

Mitt teleskop är kollimerat på fabriken, behöver jag verkligen kollimera det igen?

Ja - precis som om du köper en gitarr som är väl stämd i butiken, kommer du att behöva stämma den igen, varenda gång du ska använda den - om du bryr dig om hur det låter.

"Bad collimation is the number one killer of telescopes world wide" - Walter Scott Houston

Jag är övertygad om att det dåliga rykte som Newtonteleskop har när höga prestanda krävs, beror på att alldeles för många av dem överhuvud taget aldrig blir kollimerade - ett bra Newtonteleskop som är väl kollimerat tål att jämföras med vilken annan typ som helst med samma öppning, men om det är illa kollimerat kan det aldrig ge sitt bästa.

Du bör titta till kollimeringen inför nattens observationspass, i synnerhet om du släpar ut ditt instrument till observationsplatsen, för att inte tala om teleskop med monterbar fackverkstub! Du kan lära dig att kollimera med hög noggrannhet, och med lite vana tar det bara någon minut att fintrimma.

Vad finns det för delar att ställa in?

Huvudspegeln - den stora spegeln i botten på tuben, polerad till en enormt exakt paraboloid yta. Det är den som samlar och fokuserar ljuset från en stjärna till en skarp bild i fokus ( men tittar du i hög förstoring, ser du ett diffraktionsmönster med en liten "skiva" omgiven av ringar - Airy-skivan).

Den hålls på plats i en spegelcell, och den kan justeras i läge med tre ställskruvar (och ibland tre låsskkruvar).

Sekundärspegeln - den lilla, elliptiska spegeln med flat yta som sitter upphängd i spindeln mitt i tuben, och riktar ljuset ut genom tubens sida. Den är justerbar i sidled och längsled och kan ibland också roteras.

Okularet sitter i tuben till fokuseraren, och kan flyttas lite fram och åter för att hitta bästa skärpa - då sammanfaller fokus hos okularet med fokus hos huvudspegeln.

De här delarna hålls i läge i en teleskoptub av något slag, som i sin tur bärs upp av en monering, som gör det möjligt att rikta tuben mot önskat objekt, och att hålla det kvar i synfältet när jorden roterar.

Ta gärna ut okularet och kika in i teleskopet, så kan du identifiera de olika delarna - vad du kan se är något i denna stil:

Vad krävs för att de ska ligga i rätt läge inbördes?

Det finns två optiska axlar i teleskopet - huvudspegelns och okularets (sekundärspegeln, som är plan, har ingen). Det första och viktigaste kravet är att de sammanfaller - men detta krav kan delas upp i två delar:

1A: De båda optiska axlarna ska skära varann i huvudspegelns fokus

(har du fokuserat, så hamnar okularets fokus i samma punkt).

1B: De båda axlarna ska vara parallella

Om detta dubbla krav är väl uppfyllt, kan vi ställa några ytterligare krav, om än mindre kritiska:

Den (gemensamma) optiska axeln ska:

2: träffa sekundärspegeln i dess optiska centrum

3: reflekteras 90 grader i sekundärspegeln

4: vara centrerad i tuben

Som alla mekaniska justeringar kan de inte göras med absolut noggrannhet. Vi måste därför analysera konsekvenserna av avvikelser från respektive krav, och därefter sätta toleranserna så, att resterande fel inte får oacceptabla effekter:

Fel 1A: De båda optiska axlarna är skilda i fokalplanet, på ett avstånd D från varann.

Detta är det absolut viktigaste felet för visuellt bruk. En perfekt parabolspegel ger en perfekt skarp bild i fokus, dvs på den optiska axeln, men vid sidan av denna uppträder coma, ett bildfel som försämrar bildkontrast och skärpa. Det handlar om små marginaler, i synnerhet för "snabba" teleskop med lågt fokalförhållande (f-tal=fokallängd delat med spegeldiameter). Vågfrontsfelet på grund av coma beror av tredjepotensen av f-talet. För en snabb spegel som f/4,5 är det "diffraktionsbegränsade" fältet (där Strehl-förhållandet inte sänks mer än 0,2 - men detta går vi inte närmare in på här!) inte mer än 2 mm i diameter - men fältet i ett högförstorande okular är inte mycket större än så! Alla okular har också bäst avbildning i centrum av sitt synfält, och mot kanten kommer avbildningsfelen, framför allt astigmatism, att göra sig gällande. Det är därför viktigt att axlarna sammanfaller, så att både huvudspegel och okular kan samverka bäst - särskilt vid höga förstoringar. För ett instrument där du vill ha bästa möjliga bilder i hög förstoring (när nu seeingen tillåter!) bör inte axlarna skilja mer än 1/4 av diametern - för en stor Dobson kan man släppa lite på kraven....

Fel 1B: De båda optiska axlarna är inte parallella, utan bildar vinkel mot varann

Detta fel är kritiskt för astrofoto i Newtonfokus (om du inte använder en coma-korrektor kommer detta fel ändå att drunkna i coma!), men mindre kritiskt för visuellt bruk. Håller du felet under någon grad, kommer du knappast att märka det.

Fel 2: Den optiska axeln träffar sekundärspegeln på avstånd från det optiska centrum.

Sekundärspegeln har en elliptisk yta, men om du ser den i 45 graders vinkel ser den cirkelrund ut. Om du ser den från en punkt nära fokus, kommer perspektivet att göra att cirkelns optiska centrum inte hamnar i ellipsens centrum (storaxelns och lillaxelns skärningspunkt), utan en liten bit närmare fokuseraren och tubänden. Denna förskjutning, "offset", gör att du måste placera sekundärspegeln dels lite nedåt i tuben, dels bort från fokuseraren.

Med god noggrannhet kan du beräkna dessa (lika stora!!) sträckor som offset = sekundärspegelns bredd (lillaxeln)/4f.

Normalt görs sekundärspegeln så liten att bildfältets kanter inte "ser" hela huvudspegeln, utan sekundärspegeln "skär" lite av ljuset här (för foto bör du ha hela negativet fullständigt belyst!). Man brukar inte ha sekundärspegeln större än 20-25% av öppningsdiametern för att inte få för mycket oönskade diffraktionsfenomen. Om sekundärspegeln inte sitter centrerad optiskt, får du lite ojämna ljusförluster. Den får inte sitta så fel att inte bildcentrum blir fullständigt belyst, men någon enstaka mm förskjutning märker du knappast.

Om du av någon anledning väljer att inte använda offset, så kommer det fullt upplysta fältet att ligga förskjutet (ungefär) motsvarande offset, utåt mot tuböppningen.

Fel 3: De optiska axlarna reflekteras inte 90 grader i sekundärspegeln

Sekundärspeglar görs normalt för att sitta i 45 grader mot de optiska axlarna, som då reflekteras 90 grader. Om fokuseraren sitter snett på tuben kommer sekundärspegeln att ses aningen elliptisk, och eventuellt kan dess hållare hamna så snett i tuben att den skymmer lite av ljuset. Detta har knappast större praktisk betydelse.

Fel 4: Den optiska axeln ligger inte centrerad i tuben

Om den optiska axeln hamnar tillräckligt snett i tuböppningen, kan öppningen i värsta fall ge en obetydlig ljusförlust. Dessutom, om den optiska axeln inte är vinkelrät mot deklinationsaxeln kan det möjligen ge problem med datoriserad inställning. I övrigt har detta fel inte heller stor betydelse.

I vilka steg gör jag lämpligen min kollimering?

I det ideala fallet borde inställningarna göras med början i ena änden av den optiska kedjan och fortsätta till andra änden, utan att man behöver gå tillbaka och justera en redan gjord inställning. Med verkliga teleskop går inte detta helt att göra, t ex kan du inte justera vinkeln hos sekundärspegeln utan att flytta dess centrum något.

Den metod jag kommer att beskriva börjar med fokuserarens axel, och fortsätter med att justera först sekundärspegeln och därefter huvudspegeln. Här beskrivs alla stegen i en fullständig kollimering, som när du t ex monterar ihop delarna till ett nytt teleskop - kom ihåg att för trimningen inför nattens observationspass behövs vanligen bara steg 5 (eller möjligen också steg 8)! Om du har en Dobson med monterbar tub kan du också behöva steg 4 efter monteringen - steg 1-3 samt 6 är saker som du knappast behöver göra mer än en gång.

Vill du göra kollimeringen lätt och exakt behöver du verktyg, och lite senare ska jag beskriva ett par enkla men noggranna verktyg som du kan tillverka själv.

1: Rikta fokuseraren

Om den ser ut att sitta rakt, gör den det troligen tillräckligt bra. Du kan sätta ett märke på precis motsatt sida av tubens insida, och se till att det syns centrerat i ett siktrör. Om du får problerm i steg 3, kan det bero på att fokuseraren ändå sitter snett - du får pröva att justera den, t ex med mellanlägg mellan tuben och fokuserarens bas.

2: Centrera sekundärspegeln i tuben

Spegeln ska sitta förskjuten en bit (offset - se ovan) bort från fokuseraren för att optiska axeln ska vara väl centrerad. Kolla t ex med en linjal. Offset är typiskt 0.5-1.5% av öppningsdiametern, så skulle du strunta i offset så får du ett litet fel typ 4, betydelselöst i praktiken.

3 Centrera sekundärspegeln sedd från fokuseraren

Om du centrerar den i ett siktrör (se nedan), får du automatiskt rätt offset i riktning mot huvudspegeln. Det är enklast om du ser t ex en bit vitt papper speglas i sekundären, så att du kan se hela dess yta tydligt. Har du fackverkstub, kan du lägga ett papper på locket till spegellådan, annars fäst en liten vinkel av kartong med en klädnypa i ett spindelben. Flytta spegeln efter behov dels längs tuben, dels i sidled. Om det inte går, gå tillbaks till steg 1.

4 Vinkla sekundärspegeln

Du ska "spegla" fokuserarens optiska axel så att den träffar centrum på huvudspegeln. Du kan använda ett siktrör här också, om du skjuter in det en liten bit så att du kan få huvudspegeln att synas centrerad i öppningen (en laserkollimator är kanske det elegantaste och lättaste att använda, om du råkar ha en - då ska strålen träffa centrum på huvudspegeln). Du kan ibland rotera sekundärspegeln för att justera i sidled, men de mekaniska detaljerna varierar och du får läsa instruktionsboken och pröva dig fram.

5 Vinkla huvudspegeln

Nu ska du få den optiska axeln att reflekteras tillbaks längs sig själv. Du använder en Cheshire eller motsvarande, och justerar de 3 ställskruvarna (eller helst bara 2 av dem, den tredje får ligga fast så att inte inställningarna driver mot ett ytterläge), tills mittfläcken på huvudspegeln sitter i centrum av det ljusa området. (Du kan använda en laserkollimator för grovkollimering i detta steg också, om du har en mittfläck med perforation i mitten, men noggrannheten blir inte lika god och du bör efterjustera med Cheshire).

6 Kolla att den optiska axeln inte ligger förskjuten i tuben

Om du tittar genom den tomma fokuseraren, ska du inte kunna se tuböppningen var du än håller ögat. Om du kan det (vilket inte är alltför sannolikt), får du flytta diagonalspegeln (kolla med ett finger vilken del av tuböppningen som syns och flytta sekundären bort från det hållet) - eller rikta fokuseraren, om den sitter snett, och starta om från 2.

7 Stjärntesta

Om du ställer in en stjärna i hög förstoring, och sen drar okularet en aning utåt, ser du ett fint ringmönster. Om teleskopet är väl kollimerat ser du ringarna koncentriska - i annat fall får du pröva och justera huvudspegeln tills det blir bättre.

8 Kolla sökaren, och justera vid behov

Den optiska axeln kan ha flyttats en aning, och du kan därför behöva finjustera sökaren.

Vad behöver jag för verktyg?

Det finns flera olika typer att köpa, men du kan med lite händighet göra tillräckligt bra verktyg själv.

Mittfläcken

Först och främst behöver du en markering för centrum av huvudspegeln. Helst gör du den av tejp, t ex svart vinyltejp, där du klipper ut en cirkel på åtm 10 mm diameter - den kommer att ligga i skuggan av sekundärspegeln, och tar inte bort något ljus! Jag brukar använda 2 tunna plastlinjaler som jag tejpar hop till ett kors, men vilka plastremsor som helst duger om du märker ut centrum och spegeldiametern på dem. Fäst tejppricken med en liten bit tejp och lägg linjalerna tillrätta, och när pricken sitter på plats i centrum trycker du fast den där. (Om du vill kunna göra steg 5 ovan med laserkollimator - jag rekommenderar det inte - får du göra ett hål mitt i fläcken så att laserstrålen kan reflekteras vidare tillbaka).

Kikhålet

Du kan göra ett enkelt kikhål av en tom filmburk (den passar i en 1,25 tums fokuserare), helst med halvgenomskinligt lock (se nedan). Gör ett snyggt ca 2 mm hål precis i centrum av locket, och skär av bottnen av burken. Sätt i den på okularets plats och titta, då kan du se följande:

Du ska se allt detta koncentriskt, utom reflektionen av sekundärspegeln (om du har ett svart lock, ser du inte mittfläcken!)

Du kan kollimera genom att centrera det som ska centreras i titthålet - detta tycks vara den metod som oftast rekommenderas i instruktionsböcker etc. Resultatet kan bli bra men du har dålig kontroll av toleranserna.

Siktröret

Detta är en lagom lång rörstump med ett titthål i ena änden. Röret ska passa i fokuseraren (jag har använt grova elinstallationsrör av plast eller bitar av dammsugarrör), du får hitta något som passar din fokuserare utan att glappa. Gör ett ca 2 mm kikhål i en bit passande (mörkt) material, som täcker ena röränden, så att hålet sitter noggrant centrerat.

Om du gör rörets längd = f-talet gånger rörets innerdiameter, kan du sen centrera sekundärspegeln (steg 3) i siktrörets innerända, och därefter centrera huvudspegeln (steg 4). Du får skjuta röret in och ut i fokuseraren för att kunna centrera noggrant i resp steg.

Cheshireokularet

Detta är inte ett okular i vanlig mening, utan en utveckling av titthålet, med en upplyst insida mot vilken du kan se huvudspegelns mittfläck avteckna sig. I steg 5 justerar du huvudspegeln så att mittfläcken ser ut att hamna mitt i den ljusa ytan (du kan belysa den med en ficklampa mot ljusinsläppet).

Du kan göra ett Cheshireokular av samma typ av rör som du gjorde siktröret. Den ljusa ytan kan vara en bit vit kartong som du klipper till att passa, och hålet i den måste vara mindre än spegelns mittfläck.

Du kan göra en bländare av en bit svart kartong. Om du tar två korta bitar av röret och klipper ut en lagom bred slits, kan du sätta dem fjädrande inuti röret så att de håller bländaren på plats mellan sig.

Om du har bestämt dig för ett maximalt fel typ 1A, kan du göra bländarens innerdiameter lika med mittfläckens diameter + 4 gånger maxfelet - om du ser mittfläcken mot det ljusa, helt innanför bländaren, håller du toleransen.

Du kan givetvis göra Cheshireokularet så långt att det fungerar som siktrör också! Tänk bara på att hålet i den ljusa ytan måste vara så stort att du kan se rörets insida vid bortre änden, men inte större än mittfläcken.

Om du gör ett titthål med filmburk och halvgenomskinligt lock, kan du belysa locket utifrån och få det att fungera som ett primitivt Cheshireokular.

Ett annat sätt att få en ljus yta att se mittfläcken mot är att klä insidan av kikhålet (filmburk eller siktrör) med en cirkel (eller fyrkant) av reflextejp, och lysa med en ficklampa ner genom tuben mot huvudspegeln - då ser du den mörka mittfläcken mot den upplysta reflextejpen.

Till sist: det här är en förkortad version av min websida på engelska. Här hittar du lite mer om andra verktyg, och lite fylligare teori., och också lite om hur du gör i speciella fall, t ex om du inte har någon mittfläck, eller du har för liten sekundärspegel eller för smal fokuserare för att se att centrera i siktröret.

Nils Olof Carlin