Simulation von Beugungseffekten in Teleskopen

Teleskope, Ferngläser, Okulare, Adapter und Optiken aller Art
Antworten
christianhanke
. . . .
. . . .
Beiträge: 355
Registriert: 13.03.2017, 15:31
Wohnort: München

Simulation von Beugungseffekten in Teleskopen

Beitrag von christianhanke »

Hallo,

bei diesen grauen Novembertagen, wo keine Möglichkeit besteht, draußen unserem Hobby nachzugehen, habe ich mich einem Thema gewidmet, was mich schon länger umtreibt.
Das Auftreten von Spitzen durch Beugung (Diffraction Spikes) bei Newtonteleskopen ist ja hinlänglich bekannt.
Wenn man aber Bilder von verschiedenen Teleskopen ansieht, fallen doch Unterschiede auf, wie im folgenden Bild demonstriert wird.



Bei den Lacerta- bzw. Takahashi-Newtons fallen die Regenbogenfarben der Spikes auf, die bei meinem Orion nicht auftreten. An der optischen Qualität des Teleskops kann es wohl nicht liegen, da ich damit vorzeigbare Bilder bekomme.

Bei der Internetsuche bin ich auf die kostenfreie Software SpheroFront (https://diffractionlimit.com/ ) gestoßen, mit der man Beugungsphänomene in Teleskopen simulieren kann. Dazu muss man die Abschattung als Schwarzweiß-Bild generieren und als JPEG in das Programm laden. Die folgenden Simulationen sind exemplarisch für ein Teleskop mit 600 mm Brennweite und einer Öffnung von 60 mm über das gesamte sichtbare Spektrum durchgeführt worden. Mit den Parametern hält sich die Rechenzeit in Grenzen. Die Ergebnisbilder sind gestreckt, um die Spikes zu verdeutlichen.



In den Spikes zeigen sich keine Regenbogenfarben, genauso wie bei dem experimentellen Sternenbild.



Hier treten die Regenbogenfarben deutlich zum Vorschein. Damit ist wohl die Erklärung für das unterschiedliche optische Erscheinungsbild der Spikes gefunden.

Aber die Neugierde und der Spieltrieb haben weitere Simulationen angestoßen.

In dem Programm kann man auch die Fokuslage verändern. Bei einer Defokussierung von 50 µm spalten die Spikes in parallele Doppelspikes auf.



Ich benutze schon seit langem die Spikes zur Scharfstellung des Newtons, da die Aufspaltung sehr empfindlich auf die Defokussierung wirkt.

Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung einer Bahtinov-Maske.



Auch hier der Vergleich mit Defokussierung. Hier musste ich mit 100 µm Defokussierung rechnen, um einen deutlichen Unterschied sichtbar zu machen.



Vielleicht ist das Verfahren mit den Doppelspikes zur Scharfstellung doch empfindlicher.

Hier noch ein Beispiel für die Wirkung von „nicht runden“ Blenden, wie sie in Fotoobjektiven vorkommen.



Über die ästhetische Wirkung der Spikes in den Astrofotos gibt es ja die unterschiedlichsten Meinungen. Mir gefallen sie jedenfalls. Eine Möglichkeit die Spikes zu vermeiden sind gebogene Arme für die Fangspiegelbefestigung.



Die Simulation zeigt die Wirkung deutlich. Allerdings vergrößert sich der Sternenabbildung geringfügig, was aber eher theoretisch von Belang ist, da das Seeing wesentlich die Sternenabbildung beeinflusst.

Zum Schluss noch die Simulation der Struktur des James Web Sky Telescopes, das ja im Infrarotbereich arbeitet. Die Simulation wurde aber im sichtbaren Bereich des Spektrums durchgeführt, um das komplizierte Beugungsmuster prinzipiell darzustellen.



Die benutzte Simulationssoftware ist nur in Englisch verfügbar, was den Zugang und die Bedienung nicht ganz so leicht macht. Aber es lassen sich die Einflüsse von Obstruktionen verschiedenster Art im Strahlengang (Okularauszug, Halteklammern des Spiegels, Größe des Fangspiegels) sehr anschaulich demonstrieren.

Gruß und CS

Christian
Frank
. . . . .
.  .  .  .  .
Beiträge: 1821
Registriert: 11.03.2017, 06:42
Wohnort: Berlin

Re: Simulation von Beugungseffekten in Teleskopen

Beitrag von Frank »

Hallo Christian

Nun sind die Spikes ja nur als eindimensional mit ihrer Dicke in der Simmunation, aber was bewirkt die breite der Streben? Oder wenn die Kanten schräg zur Wellenfrant stehen?

Dein Batinow ist scharf Bild ist aber noch defokusiert, der senkrechte Spike nicht mittig, keine 6 Pünktchen.

Gruß Frank
christianhanke
. . . .
. . . .
Beiträge: 355
Registriert: 13.03.2017, 15:31
Wohnort: München

Re: Simulation von Beugungseffekten in Teleskopen

Beitrag von christianhanke »

Hallo Frank,

Simulationen sind immer nur ein begrenztes Abbild der Wirklichkeit. Mein ganzes Berufsleben war von Simulationen (Halbleiterlaser, Optik, Bauelemente von IC-Schaltungen) geprägt, deren Ergebnisse aber immer an den Messergebnissen der konkreten Hardware überprüft wurden. Meine Berufserfahrung lässt sich so ganz gut zusammenfassen:

"Letzten Endes hat es die Simulation immer mit einer Mischung von Kunst, Wissenschaft, Glück und verschiedenen Graden der Ehrlichkeit zu tun. Es ist im allgemeinen möglich, einen komplexen Prozess so zu modellieren, dass das Ergebnis dem gleicht, was der Wissenschaftler zu sehen wünscht, anstatt dass es ein getreues Abbild der Wirklichkeit ist, und man muss sorgfältig darauf achten, aus der Komplexität der Simulation keine irreführenden Schlüsse zu ziehen."

Mit dem Beitrag ging es mir eher um die prinzipiellen Ergebnisse.

Die Breite der Streben ist der wesentliche Parameter für die Intensitätsverteilung in den Spikes. Die Entfernung der Intensitätsmaxima verhält sich umgekehrt zur Stegbreite. Beim Lacerta sind sie etwa 1.8 mm dick, bei meinem Orion-Newton nur 0.5 mm. Das heißt beim Orion werden die Intensitäten der einzelnen Wellenlängen um den Faktor 3.6 weiter gebeugt und verlieren dadurch sehr schnell an Intensität. Insgesamt sind die Beugungseffekte schon tricky. Wenn man mit einer inversen Maskierung (gekreuzte Schlitze) simuliert, kommt die gleiche Intensitätsverteilung in den Spikes heraus. Das ist verwunderlich, aber es ist erklärbar.

Ob geneigte Streben einen wesentlichen Unterschied zu dicken Streben machen, wage ich zu bezweifeln.

Ich bin kein Spezialist bzw. Freund von Bahtinov-Masken. Ich habe lediglich ein Bild aus einem Bahtinov-Maskengenerator im Internet kopiert, um den Effekt zu zeigen.
Normalerweise soll die Maske ja an die Parameter des Teleskops angepasst werden. Vielleicht liegt die von dir vermutete Diskrepanz daran.

Gruß und CS

Christian
Benutzeravatar
Stefan_Lilge
.
.
Beiträge: 2090
Registriert: 10.03.2017, 22:35
Wohnort: Berlin

Re: Simulation von Beugungseffekten in Teleskopen

Beitrag von Stefan_Lilge »

Hallo Christian,

eine schöne Beschäftigung für regnerische Tage :-)
Interessant finde ich vor allem die Feststellung, dass dicke Fangspiegelstreben zu Regenbogen-Spikes führen.
Viele Grüße
Stefan
christianhanke
. . . .
. . . .
Beiträge: 355
Registriert: 13.03.2017, 15:31
Wohnort: München

Re: Simulation von Beugungseffekten in Teleskopen

Beitrag von christianhanke »

Hallo,

Stefan, du hast es auf den Punkt gebracht.

Ich habe noch eine Simulation gemacht, um den Einfluss von Partikeln auf der Linse oder dem Spiegel auf die Abbildung zu zeigen. Dazu habe ich relativ große Punkte auf der Apertur zufällig verteilt.



Die simulierte Intensitätsverteilung habe ich identisch bearbeitet.

Im ungestörten Fall sieht man das theoretisch zu erwartende Beugungsscheibchen (Airy disc).
Die zusätzliche Streuung durch die Partikel hält sich aber in Grenzen, da ja nur ein geringer Prozentsatz der optischen Fläche beeinflusst wird.
Also wirken sich "verdreckte" Elemente im Abbildungsweg nicht sehr dramatisch aus.

Gruß und CS

Christian
christianhanke
. . . .
. . . .
Beiträge: 355
Registriert: 13.03.2017, 15:31
Wohnort: München

Re: Simulation von Beugungseffekten in Teleskopen

Beitrag von christianhanke »

Ein bisschen muss ich die Aussage zu Partikeln im optischen Weg revidieren. Die Simulation zeigt die Effekte von Partikeln auf der abbildenden Optik (Linse, Spiegel), also weit entfernt von der Bildebene. Ganz anders sieht es natürlich aus, wenn sich Partikel auf Elementen nahe der Bildebene (z. B. Filter, Schutzglas) befinden. Die davon erzeugten Ringe (Doughnuts) kennt wohl jeder.
Antworten