Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://www.abitu.ru/en2002/closed/viewwork.html?work=215 Дата изменения: Fri May 5 15:25:25 2006 Дата индексирования: Tue Oct 2 02:35:53 2012 Кодировка: koi8-r Поисковые слова: объектив

Автоматическая установка для широкоугольной астрофотографии


Автор: Соловьев Андрей Андреевич


Руководитель: Юдин Алексей Николаевич



Введение

Как известно, получение фотографий звёздного неба требует применения
длительных выдержек - от нескольких минут до десятков часов. Длительность
выдержки определяется многими факторами, такими как чувствительность
фотоматериала, светосила объектива, яркость фона неба, требования по
проницающей силе системы и др. Общеизвестно также, что вследствие суточного
вращения земли изображения звёзд, полученные неподвижной камерой,
растягиваются в треки, являющиеся фрагментами суточных параллелей. Для
устранения этого явления необходимо с высокой точностью осуществлять
ведение фотоаппарата с целью компенсации вращения небесной сферы.
Требования к точности ведения определяются главным образом фокусным
расстоянием объектива и размером кружка рассеяния фотоэмульсии. В
большинстве случаев для обеспечения приемлемой точности ведения приходится
применять гидирование - ручную либо автоматическую коррекцию ведения. Как
правило, для этого фотоаппарат закрепляется на экваториальной монтировке
небольшого телескопа, служащего гидом и наблюдатель с помощью механизмов
тонких движений удерживает опорную звезду на перекрестии нитей. Такая
работа очень утомительна, а установка громоздка, дорогостоящая и трудная в
транспортировке и настройке. Но далеко не для всех работ необходима высокая
точность, обеспечиваемая гидированием. Короткофокусные объективы (до 100-
200 мм) позволяют применить упрощённую конструкцию с автоматическим
ведением - миниатюрную экваториальную монтировку с платформой для одного
или нескольких фотоаппаратов. Подобные устройства популярны у зарубежных
любителей астрономии и выпускаются серийно (Byers CamTrack, Takahashi
SkyPatrol и др.) крупными производителями любительских экваториальных
монтировок, и успешно строятся многими любителями. В нашей стране
существуют исключительно единичные разработки подобного типа. В большинстве
подобных устройств применяются однофазные синхронные двигатели, питающиеся
от сети переменного тока, что затрудняет управление скоростью двигателя.


Устройство установки

Описываемая установка выгодно отличается от аналогичных применением
шагового двигателя с электронным управлением.
Установка состоит из следующих составных частей:
1. Массивное металлическое основание с регулируемыми опорами.
2. Червячная пара с блоком промежуточного редуктора и двигателем.
3. Поворотная платформа для фотокамер.
4. Искатель полюса.
5. Блок управляющей электроники.

Следует заметить, что при конструировании и изготовлении установки
подобного типа следует уделить повышенное внимание следующим
характеристикам:
1. Совпадение скорости вращения платформы с фотоаппаратами и скорости
вращения Земли относительно звёзд. ( Один оборот за 23ч 56м 4с.) При
невыполнении этого условия произойдёт растягивание изображений звёзд
вдоль суточных параллелей.
2. Параллельность полярной оси монтировки оси вращения Земли.
Невыполнение этого условия приводит к необходимости введения
коррекции по склонению и вращению поля зрения, что сильно
ограничивает полезную площадь кадра.
Жесткость данных допусков достаточно высока и может быть
проиллюстрирована следующими простыми соотношениями:
1. Допуск на смещение изображения, вызванный суммарным влиянием
периодических ошибок привода, ошибкой по склонению вследствие неточной
установки полярной оси и отклонений частоты вращения приводящего двигателя
не должен превышать:
t=arctg(d/F)*3600 (угл. сек.),
где d - допустимый диаметр кружка рассеяния на негативе, а F - фокусное
расстояние объектива. Нетрудно видеть, что применяя даже нормальный
объектив с фокусным расстоянием 50 мм и широко распространённые
фотоматериалы, что приводит к размеру кружка рассеяния около 0.02 мм и
менее, без систем обратной связи собственная ошибка привода не должна
превосходить 80 угловых секунд. Если же мы воспользуемся высококачественным
объективом с фокусным расстоянием 200-300мм и высокоразрешающими
эмульсиями, такими как Kodak T-MAX и особенно популярной у любителей Kodak
Technical Pan 2415, имеющей разрешающую способность более 200 лин/мм, то
столкнёмся с необходимостью вести астрограф с точностью не менее 5-10 угл.
сек.
2. Точность установки полярной оси определяется из условия:
P[угл. мин.]=13*d[мкм]/(F[мм]*t[час]),
справедливого как верхняя оценка смещения при съемке без коррекции по
склонению.
Классическим, хорошо зарекомендовавшим себя механизмом,
обеспечивающим высокую точность ведения, является червячная пара с
червячным колесом большого диаметра и однозаходным червяком. Этот
критический в отношении точности изготовления узел и определяет, в конечном
счёте, точность установки в целом. В нашем устройстве применена червячная
пара от спутниковой фотокамеры АФУ-75, имеющая диаметр 130 мм и 179 зубьев.
Конструкция пары обеспечивает отсутствие люфтов и надёжную защиту от
попадания пыли. Непосредственно на червячном колесе закреплена платформа,
рассчитанная на ведение 2-х фотоаппаратов типа «Зенит» с короткофокусными
объективами. Каждый фотоаппарат крепится на специальной вилке,
обеспечивающей наведение на любой участок неба. Вместо одного из
фотоаппаратов возможно закрепление небольшой трубы, предназначенной для
контроля точности хода и настройки часового механизма. В качестве
приводящего двигателя используется шаговый двигатель от дисковода
персонального компьютера. Крутящий момент с вала электродвигателя через
муфту передаётся на промежуточный редуктор, состоящий из одной понижающей
прямозубой и одной червячной ступени малого диаметра. Предусмотрены
«плавающие» соединения для самоцентрирования двигателя и редуктора. Далее с
промежуточного редуктора момент передаётся на червячный винт большой пары.
Многофазное импульсное напряжение питания генерируется специальным
электронным блоком, обеспечивающим частотное регулирование скорости
вращения двигателя. Частота вращения перестраивается в широких пределах.


Подготовка установки к работе

Как было сказано выше, совмещение инструментальной полярной оси с
истинной с высокой точностью является обязательным условием успешной работы
установки. Традиционные методы установки полярной оси как правило,
представляют собой утомительный итерационный процесс, сводящийся к
наблюдению смещения околоэкваториальных ярких звёзд относительно
перекрестия гида и множественным коррекциям. Обычно такой процесс занимает
около часа и необходим при каждом перемещении прибора на новое место.
Причём требуемая точность установки не зависит от фокусного расстояния
объектива, а определяется выдержкой, кружком рассеяния и форматом негатива.
В нашей установке применён высокоточный искатель полюса, представляющий
собой ахроматический рефрактор с диаметром объектива 45мм и увеличением
20х. В фокальной плоскости объектива, имеющего фокусное расстояние 500 мм,
размещена сетка, размеченная особым образом: имеются две концентрические
окружности, на одной из них при регулировке установки надо разместить
Полярную звезду, а на другой помещается более слабая звезда, расположенная
также вблизи полюса. Сам северный полюс оказывается при этом в центре поля
зрения искателя. Таким образом, для точного наведения на полюс необходимо
менее минуты и при этом достигается очень высокая точность. Итерационный
процесс поиска полюса необходим один раз после сборки в процессе юстировки
искателя. После этого достаточно поставить прибор на неподвижное основание,
наблюдая околополярную область неба в искатель, регулировочными винтами
основания и вращением установки вокруг вертикальной оси добиться желаемого
положения звёзд на сетке. Ввиду применения данной сетки, отпадает
необходимость вычислять звёздное время в момент наблюдения. Для удобства
наведения применена призма полного внутреннего отражения, позволяющая
наводиться при удобном положении головы. Юстировка осуществляется с помощью
перемещения и наклонов окулярной трубки, а также наклонами объектива с
помощью 3-х пар юстировочных винтов.
В настоящее время установка оптимизирована под наблюдения на широте
45 градусов. Это связано прежде всего с основным предназначением данной
установки - обзоры неба во время ежегодных крымских экспедиций «Веги»,
проводимых в пос. Научный с данной широтой. Отказ от капризной и громоздкой
широтной головки позволил создать малогабаритную портативную установку,
весьма жёсткую и устойчивую к разъюстировке. В то же время возможны
перестройки регулировочными винтами по широте в пределах +/- 5 градусов.
Более широкий интервал регулировки легко достигается применением сменных
клиньев, подкладываемых под основание.


Испытания установки и наблюдения с ней

Проведённые летом 2002 г. наблюдения с данной установкой показали
соответствие реальных технических характеристик ожидаемым. Специфика
шагового двигателя с частотным регулированием скорости состоит в лёгкой
адаптируемости установки к различным видам работы, таким, как
фотографическая фотометрия короткопериодических переменных звёзд при помощи
микрофотоденситометрии трека звезды, получающегося при введении
рассогласования скоростей вращения Земли и платформы с фотокамерами.
Установка позволяет настроить несколько режимов ведения и оперативно
переключаться между ними. Задающий генератор продемонстрировал высокую
стабильность, позволяющую получать отличные снимки звёзд, туманностей и
галактик. В отрегулированной установке вращение поля практически незаметно
на негативе формата 135 и при продолжительности экспозиции до 1 часа. Это
далеко не предел. На рис. 2 показана фотография туманностей М16 и М17
полученная за 30 минут.
Одно из основных направлений использования установки -
фотографирование переменных звезд с небольшими периодами (затменных,
вспыхивающих). При этом скорость ведения астрографа настраивается таким
образом, чтобы получить короткие треки звезд (в несколько раз короче, чем
при использовании неподвижной камеры). При этом на одном кадре можно
зафиксировать изменения блеска звезды в течении 1-2 часов. На рис.3
приведен пример подобной фотографии (экспозиция 30 минут).
Также следует отметить чрезвычайную перспективность введения
микропроцессорной коррекции периодической ошибки ведения червячной пары,
что в сочетании с имеющейся жесткостью конструкции позволит уверенно
перешагнуть 300 - миллиметровый предел для экспозиций умеренной
продолжительности и проводить высокопроизводительные патрульные наблюдения
с целью поиска новых звёзд, комет и метеоров.


Литература:

П. В. Щеглов, Проблемы оптической астрономии. М.: Наука. 1980. 272 с.
Н. Ступишин, Установка полярной оси астрографа. Звездочёт ?2 2001 г. с 34-
37.
О. Н. Санкин, Червячный привод вместо телескопа: тест на пригодность. Земля
и Вселенная ?4 1996 г.
Л. Л. Сикорук, М. Р. Шпольский, Любительская астрофотография. М.: Наука.
1986 г. 208 с. ил.

-----------------------
[pic]
Рис. 1. Внешний вид астрографа. 1 - искатель полюса, 2 - платформа для
фотоаппарата, 3 - вторая платформа для фотоаппарата с установленным
вспомогательным телескопом, 4 - шаговый двигатель.


[pic]
Рис. 2. Фотография туманностей М16 и М17. Выдержка 30 минут. Объектив
«Юпитер-37А» (F=135 мм), пленка Fuji NPH-400.

[pic]
Рис. 3. Пример снимка полученного в режиме неточного ведения для
фотографирования треков переменных звезд.