星点法校准牛顿式望远镜光轴

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1、叶云(ecloud) 2016年7月7日 Rev 2.0 星点法校准牛顿式望远镜光轴 精确校准牛顿式结构的反射/折反射望远镜光轴以满足较 大幅面相机的深空摄影需求 前言 本文所介绍的为高精度校准牛顿式（含牛顿反射式，施密特牛顿，马克苏托夫牛顿，等任何牛顿结构的前后改正镜折反射光学系统）望远镜的光轴校准方法。在进行本文所述的校准方法之前，需要使用者已经完成了常规的低精度校准，比如使用十字目镜和激光准直器等机械校准方法。本文所介绍的高精度校准方法，需要使用人工星点发生器，并且需要用户以实际深空拍摄中所使用到的所有接环，滤镜，改正镜，OAG等配件安装齐全。在精调阶段需要在户外进行实际拍摄。 根据作

2、者的经验，粗调过程需要约10-20工作小时，精调过程需要至少5工作小时以上。具体耗时基于用户的运气和悟性。 使用本文所述之方法可以达到怎样的效果呢？右图为作者在D180/F720马克苏托夫牛顿式望远镜上所达到的最好FWHM。相机为Pentax K5，APSC画幅，像素尺寸4.8m，曝光时间450秒。也就是说在整个APSC幅面里，不饱和星点的半宽大小平均值在15m以内，这应该是很多APO也无法达到的成绩了。当然，你有可能用本方法获得更好的成绩！ 星点法校准牛顿式望远镜光轴?1粗调 首先为粗调，需要在虚焦（焦点内）模式下调整。因为视宁度会极大的影响虚焦光斑的造型，并且这个步骤需要累积超过10个小时

3、以上的操作时间，所以最好使用人工星点发生器。为了能够校准副镜深度，粗调模式需要进行多轮迭代，因此耗时较久。使用人工星点时，要尽量远，并且相机要求保证垂直向下的角度，所有接环、滤镜、改正镜等光路结构按照实际拍摄时来装配。 本方式的精度受限于人工星点的距离是否真正达到无限远，以及如何精确判断圆度极同心，因此只能作为粗调。 另外要注意的一点，焦点内的虚焦光斑与正像倒像无关。 首轮迭代 将星点虚焦，形成一个甜甜圈造型，保证外圈的大小在200m以内。 粗调方法的主要原理为： 外圈轮廓实际就是副镜轮廓，因此体现了副镜相对于焦平面的姿态。 内圈黑圈为副镜在主镜中的影子，因此内圈体现了主镜相对于焦平面的姿态。

4、 如上图左，外圈椭圆，表示副镜姿态不正，副镜在纵向拉长（副镜抬头偏转），因此需要调整副镜。如上图右，内圈位置不正，则需要调整主镜姿态。当主镜或者副镜其一有所调整后，光斑构形会有较大变化，因此还需要反复多次调整主镜和副镜才能达到较完美的同心圆。 星点法校准牛顿式望远镜光轴?2副镜深度 副镜深度如果不正确，那么是不可能得到一个完美的，亮度均匀的同心圆的。原理如下： 当副镜深度不正确时，你会得到两种结果： A：副镜相对于焦平面姿态正确，甜甜圈外圈是正圆。但是此时如果要内圈位于正中，那么主镜必须偏斜以补偿，才能得到同心圆。不过由于主镜已经偏斜，光线能量中心就发生了变化，同心圆的亮度会不平均。主镜抬头，

5、能量往前集中；主镜低头，能量往后集中。 B：主镜相对于焦平面姿态正确，那么副镜必须偏斜以补偿，其结果就是得到了一个外圈是橄榄形的同心圆。副镜抬头，纵向轴拉长；副镜低头，纵向轴缩短。 如上图，副镜深度远离主镜。光路走绿线是不能到焦点的，也就形成不了同心圆。因此光路必须走红线。两条红线分别为主镜和副镜进行偏转补偿的结果。 A，主镜低头偏转，此时光线能量往后部集中，因此形成的甜甜圈，其靠近“后方”（也就是靠近主镜方向）亮度更大。 B，副镜低头偏转，由于副镜低头，所以纵向长度变短。所以形成的甜甜圈外圈纵向轴变短，而横向轴不变。因此得到的是一个横向长的橄榄形甜甜圈。 如果副镜深度靠近主镜，那么得到的结果

6、正好相反。 总而言之， 副镜远离主镜：甜甜圈后部亮度高，或者得到横向橄榄形甜甜圈。 副镜靠近主镜：甜甜圈前部亮度高，或者得到纵向橄榄形甜甜圈。 星点法校准牛顿式望远镜光轴?3正确的副镜位置实际副镜位置焦点迭代调整 由于副镜深度几乎一定都不正确，所以你在首轮迭代里得不到完美的结果，因此你需要根据首轮调整的结果，改变副镜深度，然后再次进行下一轮迭代。每新的一轮迭代的结果，你就会发现甜甜圈的造型越来越完美。一般来说需要3-4次迭代可以达到粗调的最高精度。到此，副镜深度已经不需要再进行调整了。深空摄影允许焦平面有轻微的平移（3mm以内），星点法校准并不会使这种平移影响到下一步的精调精度。 精调 精调阶

7、段需要对实际拍摄的合焦星点图像进行解读。建议选择曝光时间10秒的5-7等星作为对象，疏散星团为佳。 精调阶段需要进行的调整量非常之微小，此时主镜螺丝需要拧动的范围大约不会超过5度，而副镜螺丝可能只是需要轻轻感觉到拧动即可。 使用的相机幅面越大，精调的精度越高。 对于单反相机来说，得到的图片实际是倒像，要注意上下左右方位的对调。 合焦差异法 先以副镜举例来解释合焦差异法的原理。副镜相对于焦平面姿态不正确时，会造成焦平面倾斜，因此相机不同位置上的星点会脱焦。这里要注意的是单反相机的成像是倒像。比如，你看到左上角已经合焦准确，而右下角呈现焦内的构型，那么其结果是相反的。实际是右下角在焦面上，左上角距

8、离靠近了。因此副镜左上角相应的位置需要远离。 这个调整需要副镜低头 星点法校准牛顿式望远镜光轴?4这里星点合焦正确*这里星点是环形说明这里距离焦平面远了也可以说这里距离焦平面近了用以上原理和方法，可以把副镜对于焦平面姿态调整到非常精确。前提是你需要一段时间来掌握焦内焦外星点的不同构型，能够分清究竟是远离还是靠近。比如作者的主镜的边缘成像，在焦外为环形，焦内为蘑菇形，很容易分辨。如果实在是分不清楚，你可以试着轻微改变调焦，就知道究竟是近还是远了。 合焦差异法如何精调主镜？其实很简单，假想你的副镜朝着镜口方向转动，则相机也跟随之往镜口方向移动，最终使副镜垂直于主镜光轴，相机则位于了主焦点位置。此时

9、“拿去”副镜，则成为了一个主焦点摄影系统，将系统关系简单化。如果你发现照片左下星点明显为焦外构型，根据倒像原理，推导出主镜在相当于相机右上的方位需要向更加靠近焦平面。 如何决定调节主镜还是副镜？如果整幅照片出现明显的合焦差异对称性，比如左上焦外，右下焦内，那么此时应该调节主镜。如果合焦差异没有明显的对称性，那么需要尝试调节副镜。请注意副镜的调节程度需要及其轻微。 能量集中法 能量集中法的其实在粗调中有所涉及。能量集中法适用于使用较亮的星点放大观察。下面以主镜举例。 主镜所偏斜的方向，能量会更加集中。将各个边缘星点放大观看，它们的亮度集中方向应该是朝向光心。如果它们朝向光心的幅度不一样，那么就说

10、明主镜的姿态不是很精确。这个过程是整个星点调整法里面最难的一个步骤，需要使用者拍摄多种亮度、位置的星点，掌握自己主镜的星点造型规律，才能准确的判断出能量集中的方向。并且，在后期软件中仔细分析星点亮度分布，效果会更好。 能量集中法一般应用于主镜调整，尤其是跟合焦差异法互为迭代，因为主镜姿态变化以后，之前的副镜结论就不做数了，需要再次使用合焦差异法精调副镜，然后循环。直到达到一个相对比较令你满意的结果为止。最理想的情况是，四个角落的星点造型完全呈中心对称分布。将左上星点旋转180度将完美合并到右下星点上。 星点法校准牛顿式望远镜光轴?5理论上精调的最终目的是四个角的星点调到完全对称。然而这并不容易

11、实现。在实际操作中，笔者得到的结果一直是一个轴向上相对完美，而另一个轴向上却有着更大的像差。也就是说，左上星点转180度可以合并到右下。然而转90度却不能合并到右上。其中原理尚未查明，也许是主镜天生的精度所致，也许是相机传感器安装精度的问题，也许是什么其他的原因。 后记 小焦比牛顿式结构的光轴难点主要在于景深太浅，过于敏感。因此使用机械法无法达到足够的精确度。而星点法可以把光路上的所有干扰计算在内，甚至于相机CCD有偏斜也可以校准。也正是由于景深浅，所以在相机、滤镜的安装过程中也需要非常谨慎小心，往往一不注意就会造成焦平面的倾斜，甚至于镜筒刚性不足造成的影响也能都可能大过主副镜的姿态偏差。因此，仅仅是调好光轴还是不够的，需要在实际操作的每个步骤中都要小心谨慎，严格遵守流程，才能获得良好的效果。 另外在此分享一下笔者使用插孔式2寸接口旋转构图的经验。如何在保证焦平面尽量不变化的情况下旋转相机：轻轻松开锁紧螺丝，使之仍然保持一定阻力，顺时针匀速转动相机到你所需要的角度，然后锁紧。星点法校准牛顿式望远镜光轴?6