Stap voor stap collimatie van een RC

© 27 augustus 2020, Nicolàs de Hilster & starry-night.nl

Het collimeren van een RC (Ritchey Chrétien) telescoop bestaat uit meer dan alleen het oplijnen van de secundaire spiegel. Naast deze spiegel is ook de primaire spiegel stelbaar en daarnaast hebben sommige modellen ook nog een tilt-ring voor het oplijnen van de focuser. Tot slot dient de onderlinge afstand tussen de primaire en secundair spiegel correct te worden afgesteld om onder- of overcorrectie te voorkomen. Geïnspireerd door een discussie op Stargazers Lounge in combinatie met vragen van Theo Hoogerhuis en Paul Volman van Sterrenwacht Saturnus te Heerhugowaard over Theo’s RC8, leidde ertoe dat we (Theo, Paul en ondergetekende) op 26 augustus 2020 deze RC8 volledig gecollimeerd hebben. In dit artikel wordt dit proces in al zijn stappen uitgelegd.

Doordat beide spiegels van een RC afstelbaar zijn, bestaat de kans dat bij het collimeren van alleen de secundaire spiegel, deze buiten de optische as van de secundair komt te staan (ervan uitgaande dat deze niet correct afgesteld was, zie afbeelding 1). Dit heeft gevolgen voor het golffront en dus voor de kwaliteit van het beeld. Ditzelfde gebeurt indien de twee spiegels te dicht of te ver van elkaar af staan. Ook dat heeft gevolgen voor het golffront en zorgt ervoor dat de telescoop over- of ondergecorrigeerd is. Om een RC volledig goed af te stellen, zijn een viertal stappen nodig:

1) Het oplijnen van de optische as van de primaire spiegel met de optisch/mechanische as van de kijker;
2) Het grofweg collimeren van de secundaire spiegel;
3) Het controleren van de onderlinge afstand van de spiegels;
4) Het fijn-collimeren van de secundaire spiegel;
5) De eindcontrole.

Voor het collimeren is door Howie-Glatter een speciale holographic laser-attachment voor de laser-collimator gemaakt, maar aangezien het gebruik ervan niet automatisch tot een goed resultaat leidt, wordt in deze procedure hiervan geen gebruik gemaakt. Wel is de uiteindelijke collimatie met deze laser-collimator gecontroleerd.

1) Het oplijnen van de primaire optische as met de kijker
In bovenstaande discussie werd door David Davies gemeld dat een polystyreen schijfje met een goed gecentreerd kijkgaatje, gemonteerd in het gat van de primaire spiegel, het afstellen van de optische as van de primaire spiegel met de kijker en de grove collimatie van de secundaire spiegel sterk vereenvoudigt. Voor de RC8 van Theo is een vergelijkbare oplossing gebruikt. In plaats van een polystyrene schijf heb ik van aluminium een 2″ adapter gedraaid met in het center een anderhalve millimeter diameter gaatje (zie afbeelding 2). Het oppervlak heb ik een mat-witte afwerking gegeven, zodat bij de grove collimatie het gaatje goed zichtbaar is. Aan de achterkant is dit gaatje opgeruimd tot 1.25″, zodat daar hulpmiddelen zoals een lichtbron of camera ingestoken kunnen worden. In principe past deze adapter zo in de focuser, maar dan bestaat het risico dat, bij scheefstand van de focuser, het gaatje niet het midden van de spiegel vertegenwoordigd. Gelukkig was op de sterrenwacht al een adapter gemaakt om van de visual back van de RC8 direct naar een 2″ aansluiting te gaan en het door mij gemaakte hulpstuk paste daar weer zonder noemenswaardige speling in. De focuser werd dus verwijderd en vervangen door deze adapter met daarin mijn hulpstuk. Uiteraard bestaat de kans dat de spiegel niet 100% gecentreerd in de buis zit (en daarmee dus niet 100% concentrisch met het gaatje is), maar tegelijkertijd weten we ook niet zeker of het gat in de primaire spiegel zuiver gecentreerd is tegenover de parabolische vorm ervan en naar verwachting zijn beide opties even betrouwbaar.

Aan de voorkant van de kijker werd de secundaire spiegel verwijderd. eerst werden daartoe de drie stelschroeven precies een kwart slag los gedraaid, waarna de centrale bout werd verwijderd. Alvorens dit te doen is de centrale bout eerst gemarkeerd, zodat bekend is wat de originele afstand van de secundaire spiegel was. Achteraf hadden we ook de secundaire spiegel moeten markeren. Weliswaar waren de afdrukken van de stelschroeven goed te zien, maar dat gaf nog steeds drie mogelijkheden om de spiegel terug te plaatsen. Gelukkig waren de drie stelbouten precies een kwart slag losgedraaid, waardoor bij het terugplaatsen de juiste stand van de spiegel kon worden herleid. De secundaire spiegel wordt verwijderd zodat het hulpstuk in de visual back zichtbaar is door het montagegat voor de secundair. Door het gaatje in het hulpstuk van achteren te verlichten, is deze goed te zien en kan het visueel gecentreerd worden in het montagegat. Om het centreren nog verder te vereenvoudigen heb ik nog een tweede hulpstuk gemaakt dat precies in het montagegat voor de secundaire spiegel past (zie afbeelding 3). Dit tweede hulpstuk heeft een centraal gat van 7 millimeter en is daarmee 1 millimeter groter dan het gat voor de bout van de secundaire spiegel. De voorkant van het tweede hulpstuk is geslepen, zodat deze egaal reflecteert. Bij het maken van dit hulpstuk is er bewust voor gekozen het gat niet met een soeverein na te bewerken, aangezien de velling die daarbij ontstaat tot waarneemfouten zal leiden.¹

Met de hulpstukken gemonteerd werd de kijker op een alt-azimut tafel geplaatst. Er tegenover op circa 75% van de brandpuntsafstand is een ZWO ASI290MC camera met ZWO zoomlens op statief geplaatst. Door het statief te verplaatsen en in hoogte te variëren (of door de alt-azimut tafel te verstellen), kan nu het verlichte gaatje van de visual back eenvoudig gecentreerd worden in het gat van het tweede hulpstuk (zie afbeelding 4). Voor dit afstellen is gebruik gemaakt van ZWO’s ASICAP. Op zich kan dit ook met andere software zoals FireCapture, maar het is van belang dat de kruisdraad altijd ‘vast zit’ aan de afbeelding, hetgeen wel het geval is bij ASICAP, maar niet bij FireCapture. Met deze kruisdraad is het namelijk nu mogelijk de visual back ook ten opzichte van de afbeelding te centreren. Dit heeft als voordeel dat ook de weerspiegeling van de cameralens in de primaire spiegel in het afstellen gebruikt kan worden. Davies stelde namelijk voor de weerspiegeling van de centrale obstructie te centreren ten opzichte van het directe beeld ervan. Nu gaat dit best redelijk, maar door de grotere onderlinge afstand tussen primaire spiegel en camera gaat het centreren een stuk nauwkeuriger wanneer de lens in de methode betrokken wordt. Het is dan echter wel zaak dat de visual back op het camerabeeld gecentreerd is, en hiervoor is dus een vaste kruisdraad een vereiste.

In afbeelding 5 is te zien dat de hoofdspiegel van de RC8 niet correct opgelijnd was. De reflectie van de secundaire spiegelhouder is niet netjes symmetrisch ten opzichte van de spiegelhouder zelf en ook de reflectie van de cameralens is overduidelijk niet symmetrisch.

Met de stelschroeven van de de primaire spiegel is dit beeld volledig symmetrisch te maken, het eindresultaat ervan is in afbeelding 6 te zien. Nu alles netjes concentrisch is, staat de primaire spiegel haaks op de optisch/mechanische as door de visual back en het midden van de spiegelhouder.

Tilt-adapter
Indien gebruik gemaakt wordt van een tilt-adapter om de focuser te stellen, dan is dit het moment die te installeren en af te stellen. Het hulpstuk van de visual back wordt daartoe in de focuser geplaatst met de focuser maximaal uit focus gedraaid (extra-focaal). De volgorde van werken is vervolgens net andersom: het hulpstuk voor de secundaire kant wordt gecentreerd in de kruisdraad en de kijker wordt met de camera opgelijnd door naar het weerspiegelde beeld van de secundaire spiegelhouder en de cameralens te kijken. Bij een scheefstaande focuser zal het resultaat gelijk zijn als in afbeelding 5, maar de centrale lichtvlek van het hulpstuk in de focuser is dan niet concentrisch of zelfs helemaal niet zichtbaar. Vervolgens wordt de tilt-adapter gebruikt om de lichtvlek van het hulpstuk in de focuser weer concentrisch te krijgen, waarbij uiteraard ook de primaire spiegel concentrisch moet blijven. Tot slot wordt de focuser maximaal intra-focaal gedraaid om te zien dat de lichtbron niet verloopt. Mocht deze verlopen, dan betekent dat dat de focuser in z’n geheel niet goed gecentreerd is. Dit is te controleren door de focuser in z’n geheel 180° te draaien en te kijken of de afwijking meedraait. Indien inderdaad de focuser niet goed gecentreerd is, dan is de oplossing hiervoor de afwijking intra-focaal en extra-focaal gelijk aan elkaar te maken.

 

2) Het grofweg collimeren van de secundaire spiegel
Nadat de primaire spiegel correct is afgesteld, kan de secundaire spiegel grofweg worden gecollimeerd, zodat daarna gekeken kan worden of hun onderlinge afstand correct is. Hiertoe wordt eerst de secundaire spiegel teruggeplaatst en de lichtbron uit het centreer hulpstuk van de visual back gehaald. Vervolgens is door het gaatje in het hulpstuk de centrummarkering op de secundaire spiegel en de reflectie van het hulpstuk te zien (zie afbeelding 7). Het kan in deze stap nodig zijn de baffle tube van de primaire spiegel te verwijderen om te zorgen dat er genoeg licht op het hulpstuk valt. Deze baffle tube laat zich gemakkelijk losdraaien, bij de RC8 kon ik er net bij door met mijn arm door de spider naar binnen te gaan.

Door nu aan de stelschroeven van de secundaire spiegel te draaien kan het gaatje in het hulpstuk aan de kant van de visual back binnen de centrummarkering van de secundaire spiegel gecentreerd worden (rechter helft van afbeelding 7). Zodra dit bereikt is, staat de secundaire spiegel goed genoeg om de afstand tot de primaire spiegel te controleren.

 

3) Het controleren van de onderlinge afstand van de spiegels
Het controleren van de onderlinge afstand tussen de spiegels kan gedaan worden met een Ronchi-test. Daartoe wordt een ronchi-filter in de focuser geplaatst. Indien dit een fotografisch ronchi-filter is, dan moet de camera van een lens voorzien zijn met de focus op oneindig. Voor de collimatie van de RC8 is een fotografisch ronchi-filter van Gerd Neumann gebruikt, samen met een ZWO ASI290MC en ZWO zoomlens. De camera en het filter zijn aan elkaar gekoppeld met een zelf gemaakte adapter. De ronchi-lijnen worden zichtbaar zodra het ronchi-filter net niet in het focuspunt van de kijker staat. Controle van het lijnenpatroon dient te geschieden met het filter intra-focaal, dat wil zeggen, met het filter te dicht bij de achterkant van de kijker (de focuser is dus naar binnen gedraaid). Indien de afstand tussen de spiegels correct is, dan zijn de lijnen van het ronchi-filter recht (zie afbeelding 8). Bij een te korte afstand tussen de spiegels treedt er een speldenkussen effect op, bij te grote afstand tonvorming. Indien het filter extra-focaal gebruikt wordt, dan verwisselen de patronen, afbeelding 8 is dus alleen geldig bij intra-focaal gebruik.²

Afbeelding 9 laat de ronchi-metingen zien voor en na afstellen van de spiegelafstand. Het ronchi-patroon kan zichtbaar gemaakt worden door de kijker met ronchi-filter op een heldere ster te richten. De seeing moet dan echter wel perfect zijn, iets dat hier in Nederland een zeldzaamheid is. Makkelijker is het daarom een kunstster of een collimator te gebruiken. De foto’s in afbeelding 9 en afbeelding 10 zijn gemaakt door van mijn 12″ collimator gebruik te maken.

Bij het corrigeren van de spiegelafstand zal de collimatie weer verlopen en dient de kijker weer grofweg gecollimeerd te worden. Dit kan gedaan worden zoals in stap 2 beschreven, of, indien de opstelling stabiel genoeg is, door de stelschroeven van de secundaire spiegel te verdraaien totdat het ronchigram weer zichtbaar is.

 

 

4) Het fijn-collimeren van de secundaire spiegel
De laatste stap in het collimatieproces is het fijn-collimeren van de kijker. Ook dit is met behulp van de 12″ collimator gedaan. De alt-azimut tafel komt hier goed tot z’n recht, aangezien bij het verstellen van de secundaire spiegel de donut al snel uit beeld loopt. In afbeelding 10 is goed te zien dat de donut er keurig uit ziet. Het kruis is afkomstig van CollimatorGrabber, een stukje software dat ik hiervoor geschreven heb, en laat de lijnen zien waarlangs het beeld gespiegeld is. De secties linksonder en rechtsboven zijn verwisseld, zodat te zien is of de centrale obstructie daadwerkelijk centraal zit. Langs de verticale lijn is nog een kleine afwijking te zien (de linkerkant is wat smaller dan de rechterkant). Uit metingen met CollimatorGrabber bleek namelijk dat de kijker iets last heeft van mirror-flop (anderhalve pixel, hetgeen overeenkomt met circa 1.1″). Bij het fijn-collimeren is dit uitgemiddeld door de kijker in twee standen te collimeren (180° gedraaid langs de kijker-as) en daarmee is deze afwijking zichtbaar in de afbeelding.

 

 

 

Eindcontrole met holographic Howie-Glatter laser
Uiteraard waren we na bovenstaande arbeid, welke alles bij elkaar circa 4 uur in beslag nam, benieuwd hoe e.e.a er uit zou zien met de holographic Howie-Glatter laser. Zoals in afbeelding 11 goed te zien is, liet deze zien dat de collimatie goed geslaagd is, zelfs de nokken van de spider zitten concentrisch.

Uiteraard moet de echte eind-test nog volgen: een astrofoto! Maar daarvoor moet het weer even meewerken…

Focuser tilt-adapter
Aan het begin van dit artikel noemde ik de tilt-adapter voor de focuser. Deze adapter is slechts bedoeld om de focuser in lijn te krijgen met de gecollimeerde telescoop, dus niet om de telescoop te collimeren. Een tilt-adapter is noodzakelijk indien bij het in en uitdraaien van de focuser het beeld over de sensor verschuift. Bij een scheefstaande focuser zullen in één van de hoeken van het beeld vervormde sterren te zien zijn. Het kan echter ook zijn dat de camera scheef in de focuser zit (bij in- en uitdraaien verloopt het beeld niet, maar de foto toont wel vervormde of onscherpe sterren), in dat geval kan een tilt-adapter voor de camera toegepast worden.

Bronnen
[1]: Hilster, N. de, Navigation on Wood, Wooden Navigational Instruments 1590-1731: An analysis of early modern western instruments for celestial navigation, their origins, mathematical concepts and accuracies, (Castricum, 2018)., pp.491-493.
[2]: Lockwood, M., Cassegrain Formulas and Tips, sectie 3a, in: http://www.loptics.com/ATM/mirror_making/cass_info/cass_info.html (laatst bezocht 27 augustus 2020). Op 3 oktober is dit effect nogmaals proefondervindelijk vastgesteld, zie hier beneden.

© 27 augustus 2020, Nicolàs de Hilster & starry-night.nl

 

Een nieuwe alt/azi-tafel

Op 3 oktober 2020 nogmaals de RC8 van Theo nagekeken. De vorige afstelbeurt had al een enorme verbetering gegeven, deze nieuwe beurt was om te kijken of de spiegelafstand nog verder verbeterd kon worden en of de focuser netjes in lijn staat met de optische as, iets dat we de vorige keer niet bekeken hadden.

De spiegelafstand is wederom met de Ronchi-test gecontroleerd, maar nu met een iets andere procedure. Eerst werd de collimatie gecontroleerd, dan met de Ronchi-test de spiegelafstand getest, vervolgens de secondaire spiegel versteld en wederom eerst volledig gecollimeerd alvorens de Ronchi-test te herhalen. De vorige keer deed ik de collimatie globaal, maar dat heeft een nadelig effect op de Ronchi-test. De Ronchi-test is sowieso niet heel erg gevoelig, dus is het van belang de collimatie zo goed mogelijk in orde te hebben.

Het controleren van de focuser gaat hetzelfde als de eerste stap hierboven, maar dan met de lichtbron (in dit geval een kunstster) in de focuser. Deze kunstster hadden Paul en Theo naar mijn voorbeeld gemaakt. Voor de controle wordt eerst de oplijning van de primaire spiegel gecontroleerd en vervolgens het hulpstuk in de visual back vervangen door de focuser met daarin het hulpstuk (of een kunstster). Vervolgens wordt de oplijning van de camera met de OTA gecontroleerd op het beeld van het hulpstuk in de secundaire spiegelhouder en het gereflecteerde beeld van de cameralens. Als daarbij de lichtbron in de focuser netjes gecentreerd getoond wordt, dan is deze oplijning in orde. Vervolgens wordt de focuser van de ene uiterste stand naar de andere uiterste stand gedraaid. Indien de focuser goed opgelijnd is, dan mag de positie van de lichtbron niet verschuiven.

Om e.e.a. makkelijker te maken heb ik afgelopen week een nieuwe alt/azi-tafel gemaakt om de kijker te sturen. De vorige twee waren nog van hout en dienden als prototypen voor dit (voorlopig) definitieve ontwerp. Het is gemaakt van massief aluminium balk (40x30mm) en aluminium strip (200x20mm). Alles bij elkaar weegt dit bokje circa 10kg, hetgeen de stabiliteit ten gunste komt.

Een dag na deze tweede afstelbeurt kreeg ik de bevestiging dat deze tot goed resultaat geleid had. Theo stuurde me nevenstaande foto van Vega. De diffractiespikes van de spider zijn messcherp. De foto is zonder flattener genomen hetgeen de mogelijkheid geeft te zien of de collimatie goed gebalanceerd is. In de hoeken is coma te zien en die wijzen allemaal naar het midden van de opname, hetgeen een goed teken is.
Voorafgaand aan deze laatste afstelbeurt had Theo de brandpuntsafstand bepaald op 1646mm, terwijl de ontwerpmaat 1624mm was. Nu had ik ergens gelezen dat het verstellen van de secundaire spiegel een tienvoudig effect zou hebben op de brandpuntsafstand (dus 1mm verandering van de spiegelafstand geeft 10mm verandering van de brandpuntsafstand). We hebben de secundaire spiegel vervolgens circa 2.25mm (drie slagen met de M5 boutjes waarmee de secundaire spiegel gesteld wordt) naar buiten gebracht. Ter controle heb ik met een schuifmaat deze maat gecontroleerd en kwam op een werkelijk verschil van 2.6mm. Hiermee werd de spiegelafstand groter en zou de brandpuntsafstand kleiner moeten worden. Astrometrie van de foto van Vega leerde ons dat de nieuwe brandpuntsafstand 1617mm is geworden, een verschil van 29mm in de juiste richting, waarmee de factor waarmee de brandpuntsafstand verandert dus op circa 11x uitkomt. Het vergroten van de spiegelafstand levert dus een elf-voudige verkleining van de brandpuntafstand op.

Nicolàs