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Le superfici ottiche piane: un primer su flats, secondari ellittici, diagonali:

 

Excerpt:
"Tolerances are for those who can’t get it right " (Chief Opticalman Earl Osborn)


Abstract:
Le superfici ottiche piane presenti nei telescopi Newtoniani e fra gli accessori più diffusi: sono parti che presentano alcuni aspetti critici, da considerare "cum granum salis": alcune osservazioni al riguardo.


Intro:
I diagonali sono una componente di larga diffusione, in campo amatoriale: sono impiegati nei tubi ottici Newtoniani , per ragioni pratiche e di comodità come accessori sui tubi ottici Cassegrain (e derivati) e sui rifrattori...

Sviluppo tecnologico, economia di scala e disponibilità degli utenti hanno fatto affacciare di recente diversi modelli e diverse opzioni: se la meccanica e l'housing restano fondamentalmente gli stessi (con le comodità degli anelli di serraggio e dei migliori livelli di finitura oggi offerti), qualche novità ed eterogeneità sono dovute alla presenza di molti produttori, di molti modelli e di numerose scelte progettuali / in sede d'esecuzione.
In effetti aldilà dei (legittimi) entusiasmi per questi gadget di ultima generazione, ci sono pochi punti che vale peròla pena di considerare per scegliere l'esemplare più adatto: non sempre il più recente o costoso coincide con l'esemplare più adatto o meglio performante.



Theme:
 

La Precisione - Supporto - I problemi al bordo - Forma - Coating -  gli Usi


La precisione:

Il primo, fondante punto da ricordare è che i diagonali vengono in genere utilizzati con orientamento altro rispetto all'incidenza normale: non sono "messi di piatto", ma sottendono un angolo (intendo ovviam., quello tipico di 45°) rispetto all'asse ottico proprio per il loro scopo (ridirigere il fascio ottico, senza intervenire con un potere ottico proprio: i flat sono otticamente neutri).
E l'inclinazione comporta che la qualità dichiarata dell'ottica vada inserita nel contesto: un flat corretto a meno di un certo valore X (sia P-V, RMS, testato con uno o altro dei sistemi e criteri disponibili) quando è inclinato di 45° impone al fronte d'ottica incidente un cammino tale che riduce tale valore di un fattore pari a sqrt(2) = 1.4 ca.
Qualitativamente, potremo dire che il fonte d'onda incidente incontra gli eventuali difetti della superficie "di sbiego", e percorre anch'essi con inclinazione di 45°: ad esempio: uno "scalino" sulla superficie profondo 50 nanometri viene "visto lungo" 70 nanometri ca dal fronte d'onda; una volta riflesso, ancora il fornte deve percorrere 70 nanometri prima di potersi confrontare con la porzione dello stesso fronte d'onda riflesso dalla vicina superficie considerata perfetta: le due porzioni di fronte d'onda differiranno di 140 nanometri, lì dove la differenza sarebbe stata di 100 nanometri per uno specchio disposto normalmente alla direzione di propagazione (come possiamo pensare essere il caso degli specchi primari).
In sintesi: se uno specchio piano è dichiarato lavorato con precisione a meno di un valore X, tale valore va diviso per 1.4 per avere la misura reale della deformazione del fronte d'onda introdotto.
Ancora in sintesi, se abbiamo un newtoniano con primario corretto a meno di 1/X sul fronte d'onda, il secondario deve essere corretto a meno di 1/ (X x 1.4) per non essere esso stesso l'anello debole del treno ottico e perchè mantenga congruuenza con la qualità del fronte d'onda fornito dal primario.
Ecco quindi che se il primario è corretto a 1/5 di lambda sul fronte d'onda P-V (valore tipico per un buon newtoniano commerciale) il secondario deve esserlo a meno di 1/7 : se anche il secondario fosse lavorato "a 1/5" la correzione risultante sulla superficie focale sarebbe solo di 1/3.5: il criterio di Rayeigh (che è un buon riferimento per strumenti amatoriali e applicazioni standard) non sarebbe soddisfatto, nonostante i valori di 1/5 dichiarati avrebbero fatto presumere sulla carta di essere nelle tolleranze, e addirittura con un abbondante margine del 25% !

Il supporto:

I flat sono notori per essere oggetti "ostici" e recalcitranti: il discorso per batches produttivi importanti è un po' diverso, ma anche le procedure ben lo sono; nella produzione di pochi pezzi un primario (sferico o asferico) può sempre essere rifigurato e ritoccato con variazioni della focale che in buona parte dei casi sono tollerate e fisiologiche (nei Newton è normale accettare variazioni sulla focale nominale entro alcuni punti percentuali se questo permette di avere una figura meglio corretta); un flat lo si può analogamente pensare come una superficie sferica a RoC infinito, ovvero curvatura pari a 0; ma tale valore deve essere = 0 esattamente: non ci sono valori di tolleranza entro cui è possibile muoversi: un secondario piano che manifesti un accenno di curvatura distrugge il fronte d'onda introducendo astigmatismo.

"Tolerances are for those who can’t get it right "
(Chief Opticalman Earl Osborn)

Il problema di base e è che i materiali impiegati nelle produzioni di serie (Borofloat, Plate glass, Borosilicati, BK7 di scelta secondaria) hanno caratteristiche tecnologiche non sempre adeguate:

Il BK7, spesso advocato quale materiale di pregio, ha comportamento termico del tutto analogo a quelli dei borosilicati generici, fra cui il Plate Glass; il Borofloat ha ottime caratteristiche tecnologiche in termini di omogenia (grazie al tipo di trafila produttiva), ma non eccellenti in termini assoluti.
In sintesi, se per secondari di dimensioni medie e piccole e per strumenti economici i materiali indicati possono essere una scelta adeguata quando confrontata con l'assieme dello strumento, c'è da considerare la risposta dei materiali alla lavorazione e alle variazioni termiche:

coefficienti di dilatazione termica
 

materiale coeff. dilatazione termica
BK7 7.5 x10-6mm/K
Suprax 4.3x10-6mm/K
Pyrex 7740 3.25x10-6mm/K
Fused Silica 0.54x10-6mm/k
Borofloat 3.25x10-6mm/K
Fluorite 18.85 x 10-6mm/k
Zerodur  >0.02 x 10-6mm/k


Le ottiche concave o convesse presentano il problema dello spessore non costante:, fattore non presente nei flat, dove però sono comunque presenti gli effetti di bordo (la "rottura" nel substrato, nel senso che ai bordi il vetro... finisce, causa deformazioni il cui recupero non è immediato), le sollecitazioni e i rilasci di tensione dovute al fissaggio (rigido o semirigido che sia) sui sistemi di lavorazione, le sollecitazioni dovute ai trattamenti di coating; sui flat per Newtoniani si aggiunge la necessità del taglio con profilo ellittico...

Consideriamo alcuni di questi punti:

Durante la lavorazione l'attrito fra substrato e utensile instaurar un gradiente termico; la soluzione lucidante ridistribuisce il calore, ma il contatto costante con la patina rende il trasporto meno efficiente, da cui:
- il plate glass invariabilmente, se testato subito dopo essere stato sollevato dalla stazione di lucidatura evidenzia irregolarità e instabilità del profilo: un flat da 4" in lavorazione è tipicamente testabile con buona attendibilità non prima di un 15ina di minuti. Durante questo periodo il flat cambia forma "real time
- vetri scartati dalla trafila delle ottiche rifrattive vengono spesso impiegati per ottiche riflettive minori (anche se molto meno che in passato) per la presenza di strie e bubbles: ma proprio le strie sono indici di variazioni importanti in pasta, e indicano che il pezzo in questione sia anisomorfo nella risposta alle sollecitazioni meccaniche e termiche: tipicamente, questi pezzi sviluppano astigmatismo, e l'eventuale taglio evidenzia o ingigantisce il problema; resta il punto riguardo l'uso di BK7 o dei supporti analoghi per piani di dimensioni importanti (oltre i 50mm sarebbe insomma preferibile materiale più pregiato).
- substrati in Pyrex sono figurabili e testabili in intervalli di tempo ben più accettabili, e il discorso non si pone nel caso di superfici da 8" e oltre, specie se di spessori medio-grandi (1/10 - 1/6 del diametro): su stand di prova l'ottica deve sicuramente stabilizzarsi, ma pezzi in 7740 nativamente previsti per l'uso in ottica hanno specifiche che li rendono quanto meno omogenei e di attendibile comportamento: nei pezzi costruiti singolarmente, un bravo maestro d'ottica può testare uno specchio tipo anche quando non perfettamente stabilizzato e individuare le correzioni da apportare. Nelle produzioni in piccola emedia serie il 7740 è probailmente il vetro iù remunerativo, che assicura con sborso accettabile omogenia e buon livello dei pezzi.
- Un substrato in Zerodur richiede tempi più lunghi per la lavorazione (il materiale è duro), ma virtualmente non va incontro a cambi di foggia, e si tratta di materiale ideato e prodotto all'uopo: sessioni più lunghe sono il prezzo da pagare per la resistenza all'azione del lucidante, che però consente anche di calibrare la figura in modo più preciso; un flat di qualità da 10" può costare quanto un'utilitaria, ma davvero un bravo ottico può figurare il pezzo con una precisione praticamente arbitraria. Questo materiale è per questo impiegato in sistemi professionali e per applicazioni militari/governative.
- Materiali quali il Fused Silica (quarzo fuso, quarzo amorfo) hanno pure caratteristiche tecnologiche di pregio.
- Parliamo di substrati monolitici di dimensioni piccole e medie, tralasciando gli specchi cellulari (o in lega) per i quali il materiale viene in fin dei conti scelto e ingegnerizzato (progetto del supporto) "on the sample".

Non sempre il materiale con il minor coefficiente di espansione termico è di per sè il migliore.
Sicuramente lo è in fase di costruzione: un substrato stabile richiede meno tempi di lavorazione a parità di livello di correzione, assicura caratteristiche omogenee, facilita la pianificazione e la lavorazione, consente di ottenere batch produttivi omogenei, con piccole variazioni fra esemplari nominalmente identici e con necessità di intervento ridotte al minimo sui singoli pezzi.
Materiali meno nobili sono però accettabili lì dove il costo è da considerare, e dove un costruttore può accettare un materiale più nervoso in fase di figurazione (con necessità di più sessioni di figurazione) per avvantaggiarsi del fatto che tali materiali hanno minore inerzia termica e, per specchi medi e grandi, possono presentare vantaggi negli strumenti amatoriali (in cui il deleterio gradiente termico in fase di utilizzao è dovuto più al mettere dentro e fuori dal riparo il telescopio che non dalle variazioni di temperatura nel corso della notte: un primario in vetro sottile da 20" spesso 1/10 si livella termicamente in un paio d'ore, lì dove un'analoga ottica in Pyrex 7740 spessore 1/6 può faticare a raggiungere l'equilibrio termico; viceversa, per sistemi professionali, la temperatura in camera è mantenuta a quella prevsita per le sessioni osservative della notee, e le ottiche in vetro a bassa dilatazione sono pronte in tempo zero all'apertura della cupola).
Vanno quindi considerate anche le necessità in luogo d'uso (strumento per alta risoluzione/strumento trasportabile) e le scelte costruttive (primario a profilo calibrato, uso di ventole di raffreddamento).
In sintesi. per strumenti amatoriali su cui si può spendere tempo in fase di costruzione ottica e calibrazione, ottiche in plate glass sono pienamente utilizzabili.
Ma i flat e i secondari newtoniani ancora una volta si tengono in disparte: il taglio è l'evento critico che facilmente (prassi più che caso) può rovinarne la figura, con una maggiore incidenza per i substrati meno nobili.


I problemi al bordo:
Lucidatura e figurazione sono processi quasi "esoterici" (di tipo fisico-chimico: lo steso processo di lucidatura non è pienemente compreso ad oggi e viene ascritto a ridistribuzione di materiale più che a sua rimozione).
In mancanza di omogenìa del substrato, lì dove la c'è un "intoppo" si riscontra un problema.
L'ideale per poter arrivare a ridosso di una superficie perfetta sarebbe una lavorazione lenta con diversi utensili (per assicurare omogenìa nel processo stesso) e un substrato omogeneo (che presenti resistenza identica su tutta la superficie).
Dove questo non può inevitabilmente aversi è... al bordo; e qui si annidano i problemi residui anche delle lavorazioni più attente.
Il gradiente di materiale e la maggior frequenza di fasi alternate "umide-esposte" comporta una sollecitazione meccanica e termica e il rilascio di tensioni interne non equilibrate da materiale al contorno.
Il fenomeno va sotto il nome di Effetto Twymann (segnatamente, per la parte relativa alle tensioni interne non equilibrate), e il risultato finale è tipicamente il famoso TDE (turned down edge: bordo ribattuto).

La Forma:
Il contributo al TDE dovuto a gradienti termici è più elevato con i substrati meno nobili e baria con una certa linearità con il protrarsi del processo di lavorazione: quindi, le ottiche in plate glass presentano TDE più esteso e di rimozione più difficile; per disdetta il TDE ha peso più elevato nelle ottiche con rapporto focale più veloce che (necessitano di lavorazioni più lunghe).
Panacee "immediate" sono la mascheratura del difetto (la diaframmatura dell'ottica) o la separazione fisica della porzione difettata (taglio).
Il taglio è comunque necessario o desiderabile nel caso di flat destinati ad ottiche Newton, per avere in proiezione un'ostruzione ridotta e una figura di diffrazione a simmetria circolare.
Ma il taglio stesso è potenziale fonte di problemi: se la rimozione di frazioni di mm di substrato durante la lucidatura causa effetto Twymann, va da sè che la rimozione di porzione della lastra di vetro fa venire a mancare quello che è un vero e proprio "muro portante"; è frequente la deformazione a seguire il taglio dei secondari ellittici e la presenza di difetti di bordo in prossimità del loro bordo più sottile.
Per questo, se la lavorazione a livello amatoriale dei secondari prevede il taglio come ultima operazione (dopo che la superficie del flat è "finita"), nelle procedure ortodosse di laboratorio c'è una prevalenza netta della lavorazione dei secondari successivamente al loro taglio in foggia ellittica; non mancano effetti di bordo in ogni caso.
In sintesi il bordo rappresenta un punto di rottura delle proprietà del substrato (non foss'altro perchè il substrato stesso... ivi cessa), e c'è un concorso dovuto a parametri fisici interni, inomogenie residue del materiale, risposta alla lavorazione... che portano a deformazioni apprezzabili, fino a distruggere la figura stessa.
Per substrati meno curati, un flat circolare di buona figura piana, ma con residue tensioni interne, al momento del taglio nella foggia ellittica (con simmetria quindi non circolare) è frequente il cosiddetto "popping": la superficie diventa moderatamente curva (al ragionamento "fino": spesso con raggi di curvatura differenti secondo differenti direttrici) e lo specchio introdurrà quello che subito si evidenzia come astigmatismo.


Il coating:
In sintesi, i flats sono ostici lì dove se ne vogliano di buona e affidabile qualità: bisogna considerare con attenzione il livello di finitura superficiale, il substrato, la trafila produttiva, la destinazione d'uso...
E ora aggiungiamo: anche il tipo di coating... che è "l'ultima parte " cui star dietro prima di vedere uscire l'ottica e di poterla montare nel suo case.
Oggi la tecnologia consente anche agli amatori l'accesso a ottiche con trattamenti sofisticati, fino a pochi anni fa ancora non messi a punto e comunque riservati a strumenti d'elezione .
I trattamenti standard (e ancora oggi i più diffusi) si appoggiano a depositi metallici in alto vuoto: alluminio, argento (che nel deposito da bagno chimico ha aperto all'uso del substrato in vetro: qui ci riferiamo la deposizione in vuoto) o altri metalli (oro, ...).
Come panoramica di massima per la casistica a noi più vicina:
L'alluminatura viene protetta con un successivo deposito di Ossido di Silice che la protegge dai reagenti atmosferici; per guadagnare pochi punti sui valori della riflettanza (e per ragioni di costo sulle ottiche più economiche) a volte si glissa sulla protezione. L'argento va assolutamente protetto, pena il decadimento del trattamento e della qualità della superficie (tende ad alterarsi per esfoliazione, lì dove già in origine ha caratteristiche di microruogosità inferiori a quelle dell'alluminatura).
I valori di riflettanza integrati sull'intervallo del visibile sono di circa l'82% per l'alluminatura (protetta SiO2, a regime) e del 91% per l'argentatura.

Ma negli ultimi anni i processi in alto vuoto hanno conosciuto un balzo in avanti nelle possibilità e nella applicazioni consumer/prosumer; ai depositi metallici si sono affiancati quelli dielettrici.
Per quest'ultimi le prime applicazioni si sono viste per i filtri interferenziali: per tramite di uno stack di depositi dielettrici si ottiene isolamento o "passing" di porzioni ben definite dello spettro (inizialmente per limitare l'ingresso delle bande in cui emettono le luci urbane,; a seguire altre versioni per meglio isolare le emissioni di specifiche classi di oggetti).
Oggi analogo concetto viene impiegato per la realizzazione di stack dielettrici che, inversamente, e sempre per interferenza, sono calibrati per permettere una riflettanza a ridosso dei valori ideali.
Quel che non dobbiamo dimenticare, è che anche in questi casi c'è da fare riferimento alle inclinazioni del substrato; non per le necessarie più strette tolleranze ottiche (il cui discorso vale comunque sempre: la correzione ottica è a carico della qualiità di lavorazione del substrato) ma perchè i depositi interferenziali, a differenza dei metallici, hanno scarsa tolleranza quando si inclinano le superfici rispetto alle condizioni di disegno, con una caduta sensibile della riflettanza per angoli già di pochi gradi: è da ricordare come già per i filtri interferenziali si riconosca una caduta nell'efficienza su strumenti scollimati o anche semplicemente con rapporti focali "veloci" (a f/4, la porzione distale del cono di luce convergente incide con angolo altro che quello diretto come la normale).
Alcuni accorgimenti (stack olto ampi) consentono una buona tolleranza, ma il problema permane, anche perchè il numero di strato di un trattamento tipo è già di per sè numeroso, e aumentarne il numero fa lievitare i prezzi e la sollecitazione del substrato.
E ancora parliamo di quest'ultima: il processo viene reiterato diverse volte (i pacchetti contano tipicamente una 60ina di strati), a temperature sensibilmente più elevate rispetto a quelle impiegate nei trattamenti metallici; il substrato viene quindi sollecitato termicamente di più e più a lungo.
Va da sè che i puristi dell'alta risoluzione, per i quali il diagonale è una chiave di volta, tendono a preferire coatings metallici; i coating dielettrici restano di preferenza di chi deve spremere fotoni dal proprio strumento, e si avvantaggia dei trattamenti più moderni nell'osservazione degli oggetti deboli .
Una curiosità sta nel fatto che nel passare ai diagonali dielettrici si rivendichino prestazioni mirabolanti rispetto a quelle dei modelli metallici; ma la cosa fa pensare: in fin dei conti pochi punti percentuali in più difficilmente possono essere così evidenti; non dimentichiamo poi che i trattamenti dielettrici attuali sono ottimizzati per una certa banda, e che hanno un calo d'efficienza non del tutto trascurabile ai suoi fianchi: come dire: si riflette di più, ma per intervalli spettrali più stretti.

Altro punto: i diagonali aluminum enhanced sono esemplari di recente introdotti anche se tecnologicamente contano già anni di presenza:; sono molto interessanti: portano ai vertici le possibilità dei trattamenti metallici (92% riflettanza, con una risposta vitualmente piatta in frequenza), non vengono sottoposti a sollecitazioni termiche importanti, e distano pochi punti percentuali dal massimo valore di riflettanza fornito dagli esemplari dielettrici.
In conclusione, i dielettrici a conti fatti non sono un must per quanto viene spesso ricordato (riflettanza): il reale vantaggio dei sistemi dielettrici (e qui davvero non hanno molti concorrenti) è nella robustezza e durata del trattamento (virtualmente illimitata). se impiegati "da soli" hanno poca ragione se scelti solo per la riflettanza: riassumiamo che questa è del 98.9% nel massimo, che dipende in modo sensibile dall'orientazione dell'ottica (ottiche inclinate devono avere un trattamento progettato diversamente da quello per le ottiche orientate normalmente alla direttrice di propogazione del fascio ottico), che il substrato viene sollecitato dalle operazioni di deposiuzione dello stack, con una discreta incidenza di residui di effetto di bordo: su un diagonale portaoculari da 2" di buona qualità questo non è un issue, mentre è un parametro da considerare con maggiore attenzione per i secondari newtoniani). Altro vantaggio che fa propendere per i trattamenti dielettrici è nel caso che questi siano applicati sia al primario che al secondario e, nel caso dei Cassegrain e derivati, anche al diagonale sulla culatta: nei due casi il picco di riflettanza totale (a valle del telescopio) sarà rispettivamente del 98% e del 97%, quando per trattamenti di alluminatura di buona qualità non si andrebbe oltre valoro del 94% e del 78%: il divario equivale ad un buon incremento di centimetri delle ottiche primarie, e per diametri medio grandi una scelta del genere può consentire un risparmio importante in termini di pesi, ingombri e anche di spese per lo strumento in sè.

Gli usi:
Nei Newtoniani il secondario viene dimensionato cercando di limitarne al massimo le dimensioni, riducendole a quelle sufficienti a portare sulla superficie focale l'intero cono di luce fornito dal primario, sia per gli oggetti sull'asse, che per quelli ai margini del campo di piena luce scelto.
In sintesi, sebbene gli oggetti di maggiore interesse siano in genere posizionati nel centro del campo, anche le regioni distali del seocndario hanno un peso non indifferente nel convogliare il fronte d'onda; anzi: le porzioni ai bordi sono quelle che convogliano con maggior peso il fronte d'onda raccolto dai margini del primario, ovvero quelle cui va ascritta la maggior superficie specifica e il potere risolvente dello strumento; per questo, il secondario deve essere:
- costruito con tolleranze più strette per un fattore pari a 1.4x rispetto al primario per non inficiarne le qualità ottiche.
- scelto fra i migliori disponibili, con assicurazione che non siano presenti effetti di bordo: precisiamo subito che tali secondari non sono molto diffusi, nè su essi si può pretendere di spuntare prezzi economici: un secondario di qualità prevede una lavorazione attenta sul pulitore continuo, una buona campionatura: una percentuale ridotta di esemplari dei batch produttivi raggiungono queste proprietà (gli scarti sono in perecentuale piuttostio numerosi); i flat sono di fatto riconosciute come le superfici più difficii da eseguire...
- comunque è sicuramente bene non scegliere un secondario con dimensione "critica": è caldamente consigliabile sceglierne uno che comporti un valore dell'ostruzione lineare più alto di un paio di punti percentuali (0.21 invece di 0.19) piuttosto che "aderire" inopinatamente al valore minimo possibile e avere la coron circolare più esterna del primario "rovinata" dal secondario

Il discorso è lo stesso che possiamo fare per i diagonali per oculari: problemi al bordo sono accettabili per un loro confinamento oltre il campo di interesse: in nessun caso devono contribuire alla formazione dell'mmagine.
In sintesi:
- nei diagonali per oculari da 2", ad alto ingrandimento viene sfruttata la zone centrale dell'ottica, e la marginale viene largamente accantonata; anche a bassissimo ingrandimento e a grande campo reale le zone marginali dell'ottica (oversize rispetto al barilotto da 2"; o almeno così dovrebbe essere) non vengono interessate, o quanto meno non contribuscono. Per questo la scelta di depositi metallici resta appannaggio dei puristi dell'high res, ma un buon dielettrico da 2" è sicuramente un accessorio pienamente utilizzbile per usi in high res ed è virtualmente eterno...
- per i secondari dei newtoniani, vista la non rinunciabilità alle porzioni esterne dell'ellittico, per applicazioni in alta risoluzione può essere preferibile rinunciare ai punti di riflettanza in più dati dai trattamenti dielettrici: non ci saranno problemi a trovare secondari comunque costosi, e sarà bene la cifra spenderla per il rispettp delle specifiche necessarie sulla superficie piuttosto che per un'accademica manciata di fotoni in più. Per i newtoniani usati principalmete per avvantaggiarsi della loro capacità di raccolta luce i trattamenti dielettrici restano però una scelta interessante quando applicati anche al primario: la trasmittanza finale è molto elevata.