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[Argomenti Tecnici]
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Elementi di valutazione sulla qualità di uno specchio astronomico: brevi cenni.

La prima domanda che rivolge il Cliente all'acquisto di un'ottica è relativa al livello di correzione e alle garanzie fornite al riguardo.

Ma quanto sono affidabili i certificati e quanto sono affidabili i vari test che si eseguono per il controllo delle ottiche?

Va detto che i test "classici" come il Foucault sono fattibili e restano oggi sempre validi per dare una valutazione quantitativa anche molto precisa di un'ottica primaria. Normale anche per i costruttori odierni di ottiche di qualità affiancare questi test "vecchi" a quelli interferometrici, se non altro in corso d'opera.

Nel banco ottico vengono dunque montati vari strumenti che consentono l'esecuzione dei diversi esami in sequenza, in modo da non avere esiti parziali o discutibili.

Ci sono poi tester che basano il loro business sulla recensione di ottiche che vengono loro inviate dal costruttore/distributore o perchè un cliente ha dei problemi o vuole avere un ulteriore riscontro.

Purtroppo gli enti certificatori che danno disponibilità sono rari e la loro prestazione costosa: non mancano bravi tecnici (preferendo quelli senza legami o interessi commerciali) che comunque possono verificare la qualità dell'esecuzione. Nella selva dei recensori e tester, e sempre considerando fra questi quanti hanno considerazione fra utenti e operatori del settore, resta che sia sempre importante intendersi su cosa vogliono dire i numeretti contenuti nel certificato ottico.

E' fondamentale che i test debbono essere eseguiti dichiarando esplicitamente tutte le condizioni di contorno: strumentazione, software, metodi di riduzione ecc.. Se questo non avviene il test è meno facile da confrontare con altri. Beninteso, questo è un principio base nella letteratura tecnica (dove, se si vuole essere letti e considerati, bisogna parlare tutti uno stesso linguaggio e seguire procedure - neanche a dirlo - del tutto trasparenti e note)  mentre pare non essere consuetudine nel mondo amatoriale dove banchi eterogenei e con ottiche di riferimento varie sono la norma.

Se prendiamo uno specchio newton ad esempio e lo sottoponiamo a tre tester diversi otterremo risultati che devono essere confrontabili tra di loro, ma che possono essere diversi se ciascuno adotta un banco e un metodo di riduzione differente.

Sicuramente due test di Hartmann condotti con analogo algoritmo di riduzione dati e considerando  insieme i punti analoghi per pattern e numero restituiranno letture finali pressochè sovrapponibili.

E' inutile ricordare come sia quanto meno discutibile chi stima all'oculare e sul campo le differenze dell'ordine di 1/10 di lambda, con buona pace della sua pratica, fama o buona fede.

Sia per il "vecchio" test di Foucault che per il test interferometrico "d'avanguardia" si può parlare di non significatività se non viene comunicato, ad esempio, il numero dei run (quante volte il test è stato effettuato) o rispettivamente: per il primo l'ampiezza della fenditura del Foucault e il numero di zone con esso lette, per il secondo la lambda della sorgente e il numero dei punti in lettura; per entrambi si deve dare garanzie riguardo all'allineamento del setup e la qualità di eventuali beamsplitter o lenti di Ross in uso (un beamsplitter NON è componente neutra per un fascio convergente, la lente di Ross può causare errori di valutazione grossolani avendo tolleranze di posizionamento di pochi punti percentuali su distanze dell'ordine dei 50 mm: occhio quindi a definire il raggio di curvatura di miglior "fit"). Ricordiamo che per il Foucault è di norma impiegata una sorgente continua "centrata" sui 560 nm ca., mentre gli interferometri lavorano in genere a 660 nm ca.: una variazione nell'ordine del 17% non solo sarebbe normale, ma in teoria DOVREBBE esserci, fermo restando che che stiamo confrontando mele con pere...........

Facciamo un semplice esempio, da cui cancelliamo per ovvi motivi di riservatezza, tutti i possibili riferimenti.

Sono test che sono stati fatti eseguire sul medesimo specchio e che ci danno una immagine molto chiara del modus operandi dei molti che non sono professionisti del settore. Un tester di ottiche deve essere un tester professionale, con profonde conoscenze della materia, un utilizzatore delle ottiche si auspica possa/sappia effettuare un controllo di "sorveglianza" per evitare di montare sul telescopio un prodotto fuori norma.

Va detto che - mancando una dichiarazione ben approfondita dei metodi utilizzati per eseguire i test, a parte il tester normato, nessuno di questi può avere l'ultima parola sulla pretesa precisione del proprio lavoro. E' la differenza che passa tra un dilettante e un professionista. Oldham Optical ha il suo metodo ben descritto e semplice che serve a garantire uno standard qualitativo adeguato, sono poi gli altri che devono dichiarare i loro metodi e normarli.

Abbiamo sottoposto a diverse verifiche un'ottica a specchio molto veloce in Suprax, costruita dalla Oldham Optical, rivolgendoci anche ad un laboratorio professionale che esegue test per osservatori professionali e ne certifica i risultati.

 

Tester nm PtoV RMS Strehl Metodo
Oldham 550 0,08 0,025 0,98 Double Pass Null in autocollimazione
"A" 532 0,449 0,077 0,79 Interferometro con lente di Ross
"B" 532 0,196 0,047 0,915 Interferometro
Tester professionale 632 0,10 0,016 0,989 Interferometro in autocollimazione

 

Commenti in generale: notiamo subito che i due test effettuati dai tester A e B sono incongruenti e soprattutto con un valore di Strehl (un indice globale che descrive la qualità complessiva della superficie ottica) discrepante da quello dichiarato dal costruttore, sono errati, mentre il test Oldham e la sala metrologica sono congrui (vedi sotto il perchè).

Alla luce di questo abbiamo eseguito il test nr. V, autocollimazione Double Pass Null da un ottico professionista inglese Esmond Reid, data la congruità dei test Oldham e del nr. IV abbiamo chiesto una conferma della correzione PtoV:

PtoV: 0,10 sul fronte

nm: 632

Ora passiamo ad analizzare uno ad uno i test eseguiti (escluso quello della Oldham Optical che teniamo come riferimento), in modo da comprendere i significati e le motivazioni che hanno portato a determinati numeri (si tengano presenti le diverse lunghezze d'onda usate nei vari esperimenti).

 

Test nr. II (A) - commenti:

 

questo tester ha usato la lente di Ross introducendo in questo modo del Coma nel sistema. La lente di Ross infatti essendo inclinata rispetto allo specchio da testare ha provocato una diminuzione drammatica dei valori di PtoV, RMS e Strehl. A queste osservazioni il tester ha risposto che non c'era Coma durante la prova. Ma se non è Coma, cosa ha provocato le immagini a forma di "S" che si vedono nell'interferogramma? La stessa asimmetria si vede nell'immagine "3D graphic" sotto forma di torsione della superficie focale mentre nell'immagine "PSF map" e "PSF surface" sotto forma di pattern irregolare.

E' possibile vedere una rugosità di basso livello nella parte centrale dello specchio, il tester non ha pero' potuto misurarla a causa del mediocre set up (per esempio l'inclinazione della lente di Ross).

Sapendo che lo specchio era di un newtoniano l'analista avrebbe dovuto chiedere il valore dell'ostruzione del medesimo in modo da coprire l'area centrale e sistemare la lente di Ross correttamente. Il risultato sarebbe stato diverso.

Abbiamo dunque posto delle domande:

1) se l'asimmetria non è Coma, allora cos'è?

2) può confermare il metodo del test: single pass con lente di Ross, double pass o altro. Uno schizzo che mostri il layout e le misure è sufficiente.

Non abbiamo avuto risposta.

Il test con la lente di Ross è raramente usato ai giorni nostri, la lente è costruita in funzione della focale dell'ottica da testare e se se ne analizzano le tolleranze, i risultati sono tutt'altro che tranquillizzanti: un errore dell'ordine del 5% (su distanze di 50 mm)  comporta un crollo dei valori dello Strehl da 0,99 del 20% (un primario perfetto diventa appena passabile). In ogni caso da questo test vanno escluse ottiche veloci (guarda caso).

 

Test nr. III (B) - commenti:

 

questo tester ha eseguito la prova al centro di curvatura usando un programma di software per interpretare il fronte d'onda. Questo è un test di tipo "single pass".

La valutazione corretta dell'ostruzione ha dimostrato la buona qualità dell'ottica, ma anche in questo caso scarse sono le informazioni sul metodo e sul set usato (e non solo sul disegno) per determinare i valori. Per esempio il valore PtoV come abbiamo detto va eseguito con diverse misurazioni, non solo: anche la loro disposizione ha un valore fondamentale e finchè non si dichiara anche questo passo il test ha un valore amatoriale e non ha alcuna possibilità di fornire valori confrontabili a livello professionale.

 

Test nr. IV (Tester professionale) - commenti:

 

questo operatore professionale ha operato con attrezzature di standard metrologico e in ambiente  normato.

Il test è stato fatto per testare la superficie ottica ma, poichè lo specchio è stato testato in AUTOCOLLIMAZIONE (double pass) e perciò il raggio di luce viene riflesso due volte dallo stesso specchio, i dati della lettura (PtoV e RMS) sarebbero la metà quando lo specchio è usato per guardare il cielo (single pass).

Di conseguenza nel cielo (single pass) le letture sono PtoV = 0,1 fronte d'onda e RMS = 0,16 fronte d'onda, per questo motivo il tester afferma che lo Strehl ratio rimane invariato sia che si misuri la superficie, sia che si misuri il fronte d'onda di ritorno.

Abbiamo poi fatto qualche tracciatura con Zemax su questo specchio rilevando che è praticamente impossibile avere un RMS di 0,032 fronte d'onda ed avere uno Strehl ratio di 0,989. A titolo di informazione un RMS di 0,032 fronte d'onda equivale ad uno Strehl ratio di 0,959.

 

Test nr. V - commenti:

 

su questo test c'è ben poco da dire, viene eseguito in autocollimazione e presenta i medesimi risultati del test IV. Quando l'area centrale dello specchio viene coperta dall'ostruzione centrale, produce uno specchio di 1/10 d'onda sul fronte. Il metodo di (IV) e di (V) sono medesimi con la sola differenza che (IV) usa un interferometro per valutare la qualità dell'immagine. Il tester (V) afferma che la superficie è di alta qualità e di bassa rugosità.

Un operatore ottico esperto afferma che:

"nessun operatore del settore si sogna di dare espliciti valoro migliori di 1/10 di lambda PtoV a  seguire i famigerati test interferometrici: proprio il valore 1/10 sul fronte è consolidato essere quello oltre il quale la riproducibilità  e la significatività cadono, da considerare che la configurazione dell'interferometro è pesantemente influente sul valore della sferica residua; se il beamsplitter non è eccelso (e anche i migliori sistemi ospitano beamsplitter piani tipicamente a meno di 1/2  lambda sul fronte a nm 633) solo i sistemi ACP (absolutely common path) annullano i contributi di sferica; il punto è che ora sembra basti avere un sistema che monti un led laser e produca in qualche modo delle frange di interferenza per rivendicare di avere l'ultima parola nel testing".... una rapida lettura del Malacara subito evidenzia come i vari test abbiano ciascuno una propensione ad infangare strutture su diversa scala e dimensione; anche l'interferogramma viene in ogni caso interpretato per punti (il software identifica e schematizza le frange con un algoritmo che le ricostruisce per punti discreti); NON è il  sistema definitivo; è solo quello, ad oggi, più riproducibile e che, microstrutture a parte, dà una buona lettura di un buono specchio".

Ma allora come è possibile che un test interferometrico cambi radicalmente i risultati in uno specchio astronomico? Perchè esistono certificati molto lusinghieri (escludiamo qua quelli realizzati in malafede, perchè questo è illegale e perseguibile), beh molto semplice: abbiamo seguito il processo del testing del laboratorio metrologico, ed è stato sufficiente variare qualche parametro per avere numeri molto diversi (ma si può fare molto di più....). Ecco le quattro prove eseguite con un setup normato e da un tecnico professionista dell'analisi ottica, non abbiamo voluto spingerci oltre, ma è già una piccola dimostrazione:

 

TEST 1 - test a tutta apertura, ostruzione rimossa:

PtoV = 0,288

RMS = 0,039

Strehl= 0,942

 

TEST 2 - test al 95% dell'apertura, ostruzione rimossa:

PtoV = 0,253

RMS = 0,035

Strehl= 0,953

 

TEST 3 - test al 100% dell'apertura, ostruzione 120 mm:

PtoV = 0,099

RMS = 0,017

Strehl= 0,989

 

TEST 4 - test al 95% dell'apertura, ostruzione 120 mm:

PtoV = 0,092

RMS = 0,016

Strehl= 0,990

 

Ricordiamo che il test è stato svolto sulla superficie ma in autocollimazione.

Notate come sia facile trasformare, onestamente, i numeri e come sia facile occultare il metodo al cliente, visto che da nessuna parte si specifica mai un protocollo di unificazione.

Quando ci si appoggia a strumentazione elettronica/ottica per eseguire un test di controllo e certificazione è indiscutibile che questi test vadano svolti da persone con la giusta competenza professionale, con la giusta attrezzatura e secondo i protocolli normati che vengono richiesti dal  settore industriale. Tutto il resto è solo cialare di poco conto e di nessuna importanza.

Riportiamo dal sito di Oldham Optical il suo pensiero, che ricordiamo ha 20 anni di esperienza in proprio sulla costruzione delle ottiche e che ricalca anche il pensiero di altri rinomati costruttori.

"I test svolti dalla Oldham Optical danno risultati che si avvicinano molto a quelli di un altro utilizzatore di Double Pass Null. Riteniamo che l'utilizzo del Double Pass Null da parte di operatori diversi dia risultati simili e attendibili e che la precisione sia sempre intorno a 1/30 di lambda o superiore, mentre i test fatti da diversi utilizzatori di Interferometri danno risultati discordanti e poco attendibili.

Secondo noi gli Interferometri vanno bene quando la precisione richiesta è superiore alla lunghezza d'onda ma, per gli specchi astronomici, dove la precisione richiesta è una piccola frazione di lunghezza d'onda, i risultati dipendono molto dalla qualità dell'attrezzatura e dall'abilità dell'operatore.

In ogni caso c'è sempre un limite alla precisione determinato dalle ottiche supplementari presenti nell'Interferometro e, in linea di massima, i  risultati ottenuti sono sempre peggiori di quelli del  Double Pass Null.

Quando i risultati dell'Interferometro indicano la presenza di una grande gobba al centro dello specchio è probabile che questa dipenda dall'impostazione o dall'uso dell'interferometro stesso. Negli interferogrammi non è rara la presenza di artefatti.

Quando invece uno specchio ha più di 1/4 di lambda PtoV, ed i risultati all'Interferometro sembrano mostrare problemi alle estremità dello specchio ed asimmetri, in realtà questi difetti sono spesso dovuti ai problemi sopracitati.

Noi crediamo che il test Double Pass Null è preciso e dà risultati attendibili e costanti anche se effettuato da operatori diversi e riteniamo che il nostro punto di vista sia condiviso dai più grandi produttori di specchi" (vedere Argomenti Tecnici per la spiegazione completa).

Ma è meglio essere precisi: fra i non interferometrici sicuramente l'Hartmann è quello più affidabile e quello che, se si vuole, può essere riprodotto in modo pressochè sovrapponibile. Il Lyot restituisce una lettura su scala molto piccola. restando cieco a errori anche gravi; il Foucault è il più versatile e quello con maggior copertura di scale, ma anche quello con maggior difficoltà di interpretazione.

I vari metodi di controllo non sono antagonisti tra di loro: fermo restando che ciascuno ha un suo migliore ambito d'uso e una sua comodità (l'interferometro in genere si usa su superfici "finite", il Ronchi è utilissimo nella fase di prima figurazione, il Lyot è stato fondante per i prismi interferenziali in quarzo...) resta che i risultati devono comunque essere fra loro confrontabili fatta eccezione per le letture fuori norma (ma è normale anche in sede di run di lettura al Foucault togliere i valori fortemente discordanti).

Quello che veramente conta è comprendere come il tecnico sia arrivato a determinare una precisione e constatare poi nell'uso pratico che le ottiche performino come dovrebbero.

E allora i nostri test? Non valgono niente! Semplicemente perchè, a parte uno e a parte il costruttore che usa un metodo ben dichiarato e supportato dalla letteratura tecnica, nessun ottico professionista si sognerebbe di mescolare delle relazioni che non riportano tutto il contorno informativo necessario e che non utilizzano metodi e protocolli che sono considerati il minimo standard in metrologia ottica. E questo non è ovviamente solo un parere di NortheK, ma la chiara presa di posizione di professionisti della produzione ottica (anche non astronomica). Per tale ragione se il metodo non condiviso è il Double Pass Null diremmo che bisogna lasciar stare l'interlocutore: se non va bene quello, allora non va bene niente, giusto che non è in grado di capire di cosa sta parlando.

Pensate che tra un'ottica corretta a 1/4 e 1/8 di PtoV riuscireste ad accorgervi della differenza? Noi siamo sicuri di no, e vi sfidiamo a dimostrarlo. Un parametro conveniente ed intuitivo è lo Strehl ratio, che racchiude in un solo numero svariati  parametri significativi ai fini della qualità globale. Per questo è comodo per descrivere le ottiche amatoriali.

D'altra parte lo Strehl ratio non è misurabile direttamente e i vari algoritmi per determinarlo possono giungere a differenze talvolta anche notevoli, soprattutto quando non è descritta in dettaglio la procedura di acquisizione e riduzione dati e gli algoritmi usati. Cruciale, anche qui, impiegare un operatore preparato, di fiducia, e che per qualsiasi questione o dubbio presti ampia assistenza al cliente.

Inoltre il RMS dà anch'esso una buona idea generale della qualità delle superficie. Gli altri test relativi alla rugosità per esempio, si prestano facilmente  alle manomissioni potendo aumentarla o diminuirla con degli artefatti su banco ottico, e - ad esempio - ci si dovrebbe domandare perchè alcuni produttori di massa hanno superfici molto levigate pur usando metodi e prodotti uguali ad altri che vengono sempre stroncati come produttori di superfici rugose.

Per maggior chiarezza diciamo che il PtoV è interessante soprattutto per le piccole ottiche amatoriali; ma un costruttore minimamente serio sa che oggi è un valore che da solo è largamente insufficiente appena vuole garantire un'ottica appena più che decorosa.

Non è compito di questo testo entrare nei dettagli, che lasciamo al singolo lettore che ne ha le competenze e la voglia........

Nota: la documentazione relativa ai test sopra riportati è conservata presso NortheK, non si è ritenuto opportuno pubblicarla per non violare la riservatezza dei tester amatoriali. Naturalmente tutto quanto riportato come esito dei test è dimostrabile anche in sede giuridica, e con questa documentazione esiste anche il carteggio che dimostra l'iter da noi seguito per eseguire le prove, la corrispondenza, i documenti di trasporto con i relativi destinatari, ecc.

 

 

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