Każdy instrument optyczny składa się z minimum jednego elementu optycznego, który w odpowiedni sposób załamuje lub odbija promienie świetlne, w celu dostarczenia obrazu obiektu dla oka. Elementy optyczne, czyli soczewki, zwierciadła, pryzmaty oraz korektory posiadają ograniczoną sprawność i wprowadzają straty światła – część światła jest odbijana, rozpraszana oraz pochłaniana w niekontrolowany sposób. Dysponując wiedzą o sprawności elementów składowych teleskopu, potrafimy obliczać całkowitą sprawność teleskopu, co pokażemy w niniejszym artykule.
Sprawnością optyczną teleskopu nazywamy stosunek ilości światła, na wejściu do apertury teleskopu do ilości światła w źrenicy wyjściowej. Najwyższa możliwa sprawność teleskopu, czyli taka, jaka ma miejsce przy użyciu wysokiej klasy dubletu ED i dobrego okularu ortoskopowego może wynosić do 95%, natomiast najniższa, w teleskopach katadioptrycznych z nasadką kątową i wieloelementowym okularem zoom może wynosić tylko 50%.
Niezwykle istotna z punktu widzenia sprawności teleskopu jest ilość elementów optycznych w teleskopie oraz jakość powłok na tych elementach. Powłokami nazywamy cienkie warstwy metali lub tlenków o grubości kilkudziesięciu nanometrów na powierzchniach elementów optycznych. Minimalizują one straty światła na ich powierzchniach. Powłoki dzielimy na refleksyjne, którymi pokrywa się zwierciadła i antyrefleksyjne (AR), którymi pokrywa się soczewki.
Powłoki refleksyjne są zazwyczaj warstwą aluminium, które posiada dobrą odbiciowość w zakresie fal widzialnych wynoszącą średnio 91%. Aby uchronić metal przed utlenianiem, warstwę aluminium pokrywa się warstwą dwutlenku krzemu, czyli kwarcem, który zmniejsza odbiciowość do 87%, jest twardy i doskonale zabezpiecza aluminium na lustrach teleskopów o otwartej konstrukcji, czyli Newtonów (Sky-Watcher). Niektórzy producenci optyki, np. GSO lub Celestron, oprócz warstwy kwarcu nakładają dodatkowe warstwy dwutlenku tytanu (TiO2), dwutlenku cyrkonu (ZrO2) i innych tlenków. Dzięki dobraniu grubości i współczynników załamania warstw ułożonych w tzw. stacku, lustra są w stanie osiągnąć odbiciowość od 94 do 97%, cechując się wysoką odpornością na trudne warunki eksploatacji. Aktualnie, wszystkie duże firmy produkujące teleskopy stosują nowoczesne i trwałe powłoki o precyzyjnie kontrolowanej grubości, napylane za pomocą kosztownego działa jonowego w warunkach wysokiej próżni. Technologia ta jest oznaczana skrótami EBD, IAD, IBS, często też nadaje się jej marketingowe nazwy, np. Hilux, XLT, Ultrabright, co może namieszać w głowie początkującego.
Jeszcze innym typem powłok na lustrach są powłoki dielektryczne. Jest to stack złożony nawet ze 100 naprzemiennie ułożonych warstw tlenków i fluorków, którego grubość wynosi kilkadziesiąt – kilkaset nanometrów. Cechą charakterystyczną powłoki dielektrycznej jest brak warstwy metalicznej – powłoka odbija światło dzięki zjawisku interferencji. Warstwy dielektryczne cechują się najwyższym możliwym współczynnikiem odbiciowości sięgającym 99,9%, najwyższą odpornością na zużycie i jednocześnie najwyższą ceną. Z racji ceny, pokrywa się nimi tylko małe powierzchnie, np. lusterka najlepszych nasadek kątowych producentów takich jak Sky-Watcher, Celestron, GSO, William Optics, Baader. Z pewnych względów, powłoka ta niestety nie nadaje się na duże zwierciadła teleskopów.
Soczewki pokrywa się tylko i wyłącznie interferencyjnymi powłokami dielektrycznymi, które z kolei mają odbijać jak najmniej światła (skrót AR: anti-reflection). Najprostszą powłoką antyodbiciową jest jedna warstwa fluorku magnezu MgF2, która odbija 1,5% światła padającego na powierzchnię soczewki. Można poznać ją po jasnym, błękitnym zabarwieniu (przykład 2). Dla porównania, szkło nie pokryte warstwami AR odbija 4% światła i ma jasną, bezbarwną powierzchnię (przykład 1). Lepszej jakości, choć droższe warstwy AR to stacki kilku warstw tlenków i fluorków o rozmaitym współczynniku załamania światła, które łącznie odbijają 1,5 – 0,5% światła, dając zielony kolor powierzchni soczewki. Ograniczona ilość warstw w stacku powoduje, że spektralny zakres efektywnej pracy takiej powłoki jest dość wąski. Takie warstwy obecnie stosuje się w ponad 90% soczewkowych układów optycznych obecnych na rynku (przykład 3, 4).
Najnowocześniejsze i najdroższe powłoki AR, są skomplikowanymi stackami złożonymi z kilkudziesięciu warstw tlenków i fluorków pierwiastków ziem rzadkich, które są dobierane do współczynnika załamania każdej z soczewek. Wynikiem jest najwyższej jakości powłoka AR odbijająca zaledwie 0,1% światła, która działa z maksymalną wydajnością w szerokim zakresie spektralnym. Dowodem obecności takiej powłoki na soczewce jest głęboki, ledwo widoczny, zielonkawo-fioletowy odcień zmieniający barwy w zależności od kąta patrzenia. Towarzyszy temu wrażenie braku soczewek przy patrzeniu w głąb układu optycznego. Tylko kilku producentów optyki na świecie, m. in. Tele Vue, Pentax, Nikon i Baader (nazwa handlowa powłok Baadera to Phantom Group) jest w stanie wyprodukować tak niesamowicie wydajne warstwy AR (przykład 5, 6). Różnica w wydajności między różnej klasy powłokami jest niestety miażdżąca, co pokazuje zdjęcie.
Rys. 1: Przykładowe warstwy AR w praktyce:
1 – brak powłok AR (barlow „kitowy” Sky-Watcher), 2 – powłoka MgF2 (obiektyw lornetki DO Voyager), 3 – prosta powłoka AR niskiej jakości (Super View GSO), 4 – prosta powłoka AR wysokiej jakości (Plossl Sky-Watcher, Celestron), 5 – wysokiej jakości wielowarstwowa powłoka Baader Phantom Group (Hyperion), 6 – najwyższej jakości powłoka indywidualnie dobierana do każdej z soczewek (Tele Vue DeLite).
Obliczmy teraz sprawność teleskopu na podstawie tego, o czym się dowiedzieliśmy przed chwilą. Weźmy jako przykład teleskop soczewkowy złożony z dubletu achromatycznego, pokrytego powłoką MgF2, nasadki kątowej lustrzanej #z warstwą Al/SiO2 oraz okularu „kitowego” z 2 elementami pokrytymi również warstwami MgF2. Sprawność całkowita jest iloczynem sprawności każdego elementu, wyrażonych w jednostkach niemianowanych. Obiektyw przykładowy posiada sprawność 0,93, nasadka kątowa 0,87, okular 0,93. Po przemnożeniu tych trzech wartości uzyskujemy wynik 0,76, co daje sprawność całkowitą równą 76%. Jak widać poniżej, przykładowy teleskop Newtona posiada sprawność równą 62%, na co wpływ mają niższa sprawność zwierciadła głównego i okularu wieloelementowego, a także obstrukcja centralna lustra wtórnego w powierzchni lustra głównego, którą można wyliczyć w prosty sposób, podnosząc do kwadratu obstrukcję liniową wyrażoną w jednostce niemianowanej, np. 0,25. W celu maksymalizacji sprawności teleskopów dąży się nie tyle do zmniejszania ilości elementów optycznych w nim obecnych, co do maksymalizacji wydajności powłok AR oraz refleksyjnych. Odpowiedni dobór tychże powłok jest w stanie podnieść sprawność tego samego instrumentu optycznego o kilkanaście, a nawet o kilkadziesiąt procent! Bezpośrednim efektem tego zjawiska jest pozorne zwiększenie apertury teleskopu, który wyposażony jest w lepsze powłoki. Taka apertura pozorna, jest zwana aperturą efektywną. Można ją obliczyć mnożąc aperturę fizyczną teleskopu przez pierwiastek z niemianowanej wartości jego sprawności.
Rys. 2: Przykładowe systemy optyczne i ich sprawność optyczna.
