Schiefspiegler

Intorno agli anni 50 veniva costruito a Verona da Carlo Recla un tipo particolare di riflettore non ostruito la cui produzione complessiva raggiunse alcune centinaia di esemplari. Uno di questi (figura 1) venne acquistato da mio zio, Giacomo Serafini, appassionato astrofilo pordenonese. Questo stesso strumento, nel corso del 1996, vi venne donato in ricordo della persona che, quando ero ancora bambino, mi chiamava la notte per farmi ammirare i crateri lunari o gli anelli di Saturno (la “Sveglia” consisteva in uno spago legato all’ alluce e fatto penzolare fuori dalla finestra in modo da poter essere svegliato all’ ora opportuna). Così, dopo tanto tempo, in una sera d’ estate, puntando questo vecchio telescopio alla doppia doppia della Lira e scorgendo, sullo sfondo di un cielo nerissimo quattro brillanti stelline nettamente incise e separate, decisi di riprendere l’ osservazione del cielo facendo rivivere questo strumento e dandogli una sistemazione più moderna che ne sfruttasse appieno le possibilità.

Note storiche

Questo tipo di configurazione ottica, la cui caratteristica peculiare è quella di impiegare esclusivamente specchi sferici inclinati, riprende e sviluppa il telescopio di Hershel. Di questo si hanno notizie già a partire dalla fine del ‘700, senza che vi fosse qualcuno che pensasse a realizzarla concretamente: stessa sorte nel corso della prima metà del 1800 quando l’ astronomo berlinese Bode ed un anonimo inglese contemporaneo, indipendentemente uno dall’ altro, rilanciarono l’ idea. Finalmente, verso la fine del 1800, gli ottici viennesi Forster e Fritsch iniziarono la produzione di uno strumento simile che chiamarono brachi-telescopio ( ossia telescopio corto). Essi impiegarono una tecnica costruttiva che si basava sull’ impiego di un piccolo angolo di inclinazione dello specchio principale e di un suo piccolo diametro per contenere il coma. La maggioranza di questi strumenti aveva infatti una apertura di soli 100 mm, anche se, per l’ osservatorio astronomico della Marina Militare di Pola, venne costruito un esemplare da 310 mm. Nel 1936, avendo come obiettivo la costruzione di uno strumento di buona qualità dedicato agli astrofili e la cui ottica fosse costituita solo da specchi sferici allo scopo di renderne più agevole la costruzione, un astrofilo tedesco, Anton Kutter, iniziò a porre le basi teoriche di questo telescopio che egli chiamò dapprima Neo-brachyt e, successivamente, Schiefspiegler ( Specchio inclinato- pronunciato “sciif-spiglar”). L’ idea alla base delle strumento era di introdurre con un secondo specchio convesso un sistema di aberrazioni ( astigmatismo e coma) che fosse di entità uguale e di segno opposto a quello introdotto dall’ inclinazione del primario. Gli studi di Kutter, accompagnati da esperimenti e collaudi sul campo, si protrassero fino alla fine della seconda guerra mondiale, anche se i risultati furono pubblicati soltanto nel 1953 in un libro, ormai introvabile, dal titolo “Der Schiefspiegler”. Sono fortunosamente entrato in possesso delle fotocopie di questo volume e della traduzione di una successiva opera, pubblicata in lingua inglese, che mi è stata gentilmente fornita dal figlio di Carlo Recla, prof. Fernando, che desidero ringraziare insieme a tutti coloro che mi hanno aiutato nella non sempre agevole traduzione del libro di Anton Kutter. Di seguito verranno esposti gli interventi eseguiti sullo strumento in mio possesso e i risultati ottenibili. Per il restauro dello strumento ho utilizzato la procedura teorica e le formule descritte nel testo citato. Successivamente ho scoperto l’ esistenza di un sito dal quale è possibile scaricare un software dedicato agli strumenti che impiegano solo specchi inclinati. Questo software permette uno studio accurato dei parametri geometrici nonché una verifica dello spot diagram ottenibile. Non permette però l’ inserimento di lenti nel cammino ottico ed è quindi adatto allo studio di una versione successiva dello Schiefspiegler, il Trischiefspiegler, sempre elaborata da Anton Kutter, il quale pensò di sostituire alla lente correttrice un terzo specchio sferico. Il software si chiama Spot Plotter, scaricabile qui.

Descrizione dello strumento

Nello schema sopra (figura 2) sono indicate le grandezze caratteristiche di uno Schiefspiegler:

  • L’ angolo j1 di cui è ruotato lo specchio principale rispetto alla direzione del fascio di luce incidente.
  • L’ angolo j2 di cui è ruotato lo specchio secondario.
  • La prima distanza principale D tra l’ asse del secondario e l’ asse del fascio incidente
  • La seconda distanza principale D’ tra la direzione di osservazione (l’ asse in cui va posto l’ oculare) e il centro dello specchio principale.
  • La distanza e tra gli specchi.
  • La distanza p tra il vertice dello specchio secondario e il fuoco dello specchio principale
  • La distanza p’ tra il vertice dello specchio secondario e il fuoco del sistema
  • Il raggio y1 dello specchio principale, che è anche il raggio del fascio di luce incidente.
  • Il raggio y2 dello specchio secondario.

Vanno inoltre ricordati:

  • Il piano meridiano p dello strumento, che è il piano contenente l’ asse del fascio incidente, la congiungente i centri degli specchi, l’ asse di osservazione,
  • Il piano sagittale p’ dello specchio principale che è il piano perpendicolare al precedente che contiene inoltre l’ asse ottico dello specchio.

Nello schema è poi raffigurata una lente correttrice L che è strettamente necessaria solo per aperture superiori a 150 mm perché al di sopra di questo valore le aberrazioni di coma ed astigmatismo introdotte dall’ inclinazione del primario non possono essere completamente neutralizzate da quelle di segno opposto introdotte dal secondario.

Lo strumento di cui stiamo parlando ha uno specchio principale sferico da 200 mm con focale di 2420 mm, inclinato di un angolo j1 di 3° 20′ e uno specchio secondario sferico e convesso, con focale di – 2555 mm e diametro di 95 mm, inclinato di un angolo j2 di 9° 36′. La distanza e tra gli specchi risulta essere 1381 mm.La prima distanza principale D è di 160 mm mentre la seconda distanza principale D’ è di 455 mm. È presente una lente correttrice piano convessa, con focale di 24 metri, realizzata in vetro al boro-silicato con indice medio di rifrazione di circa1,5 .

La superficie convessa della lente non è parallela alla base piana ma forma con quest’ ultima un angolo di circa 2 primi d’arco.La focale risultante è di circa 4000 mm per cui il rapporto di apertura è di f /20.Lo strumento è stato smontato e ricalcolato, confermando la bontà della costruzione originale. In figura 3è mostrata la fase di premontaggio su una struttura di prova per la verifica delle parti ottiche e il controllo generale. La lente correttrice e lo specchio secondario sono stati montati in modo da poter scorrere lungo un tubo quadro di alluminio, solidale alla struttura in legno che contiene lo specchio principale. All’ estremità sinistra del tubo, sempre montato su un supporto scorrevole, è applicato l’oculare. Dopo aver determinato la focale del primario con il metodo di Foucault si è ricavata quella del secondario impiegando il telescopio senza la lente correttrice, puntando un oggetto a grande distanza (Cima Grappa, a 24 Km in linea d’ aria) e risalendo, nota così la posizione del fuoco, alla focale del secondario.

Ripetendo il procedimento con la lente correttrice e misurando la nuova posizione assunta dal fuoco è stato possibile risalire alla focale della lente. Questa focale, è stata verificata praticamente intercettando una lampadina e proiettandone con la lente il filamento su uno schermo: il tutto è stato fatto di notte su un campo, in aperta campagna, sfruttando la formula delle lenti sottili da cui si ricava che ponendo un “oggetto” a una distanza 2f dalla lente, l’ immagine si forma ancora alla distanza 2f , dalla parte opposta della lente rispetto all’ oggetto. Naturalmente f è la distanza focale della lente: il campo era lungo un centinaio di metri! In figura 4 il telescopio, ormai terminato, è appeso ad un cavetto di acciaio per verificarne la posizione del baricentro.

In questa fase si sono previste la posizione e l’ entità dei contrappesi da applicare allorchè si monti un corpo macchina per foto al fuoco diretto o in proiezione.Il cercatore (figura 5) è stato costruito assemblando un tele fotografico da 135 mm di recupero e un oculare di un vecchio binocolo. Il reticolo del cercatore è stato ricavato utilizzando una lastra di plexiglass da 1 mm di spessore sulla quale si sono incise con un tagliabalsa due linee a 90°. L’ incisione deve essere eseguita appoggiando la lama del tagliabalsa senza premere: ciò è sufficiente a produrre delle linee ben visibili attraverso l’oculare. Il cercatore è stato montato all’ interno di un tubo recante ad una estremità le tre viti di centraggio e sul lato opposto è stata ricavata una sede per un anello O-ring sul quale il tubo ottico fa perno durante la fase di allineamento con lo specchio principale.

Poco sopra al cercatore e in corrispondenza dell’ asse baricentrico è stata prevista una base filettata per l’ attacco di un corpo macchina per foto in parallelo: questa soluzione permette di aggiungere questa strumentazione senza dover applicare contrappesi.

Il tubo portasecondario (figura 6) è stato realizzato in due parti innestabili a baionetta per rendere lo strumento meno ingombrante facilitandone il trasporto in luoghi bui. La parte superiore del tubo ha un diametro di 110 mm e la parte inferiore di 90 mm. Attraverso il gradino che si forma all’ innesto passa l’ asta di comando per la rotazione della lente correttrice il cui angolo va trovato sperimentalmente. La divisione dei tubi, oltre che permettere un facile accesso alla lente, è stata sfruttata anche per l’ applicazione di uno dei tre diaframmi intermedi. Il tubo infine è stato sabbiato internamente e successivamente anodizzato di colore nero per rendere l’ interno perfettamente opaco.

La struttura di collegamento tra i tubi portaspecchio del primario e del secondario è stata realizzata con quattro fogli di multistrato di betulla da 15 mm, è stata stuccata e poi verniciata con sei mani di vernice (figura 7). Il collegamento tra i tubi portaottica e il corpo, allo scopo di contenere al massimo il peso, è stato eseguito con con del cavetto di acciaio inox da 1,5 mm rivestito con del tubetto in nylon per aria compressa da 4 mm di diametro esterno.

Il cavetto è stato ripiegato ad anello e le due estremità sono state infilate in un blocchetto di ottone ricotto che è stato compresso ai lati con l’ aiuto di una pressa da elettrauto. Il blocchetto reca tra i due cavetti un foro filettato nel quale si inserisce una vite M6 che va in battuta su un secondo blocchetto solidale al corpo. Nella parte inferiore della struttura in legno è fissata un puleggia a gola del diametro di 20 mm attorno alla quale passa il cavetto che è messo in tiro dalla vite. Il sistema, assolutamente sicuro e leggero, è visibile nei particolari in figura 5. Nel montaggio dei tubi portaottica è molto importante verificare che non siano sghembi fra di loro o che non lo diventino in seguito a cedimento dei punti di fissaggio perché questo disassamento introduce un coma assolutamente ineliminabile, come ho avuto modo di constatare durante le operazioni di controllo delle ottiche.Lo specchio principale è montato sulla sua cella originaria formata da due dischi di legno: di questi il superiore, al quale è fissata l’ ottica, è ancorato uno snodo sferico che è mantenuto in trazione da una molla fissata al disco inferiore sul quale sono inserite tre viti di contrasto disposte a 120° una dall’altra.La rotazione di queste viti permette la regolazione fine dell’ inclinazione dello specchio ed è importante che quella più distante dall’ oculare sia situata esattamente nel piano meridiano dello strumento.

In effetti questa vite prende il nome di vite meridiana. Le restanti due viti si trovano su un piano parallelo al piano sagittale e si chiamano viti sagittali. Un sistema sostanzialmente identico è previsto per lo specchio secondario ed è visibile nella foto delle figure 4 e 8. Si noti il particolare del taglio inclinato del tubo portaottica per evitare che quest’ ultimo intercetti il fascio incidente nonché il foro attraverso cui entra il fascio convergente riflesso dal primario (fig.6).

La linea di taglio di questo foro è stata ricavata per punti come intersezione di un tronco di cono di dimensioni corrispondenti a quelle del fascio riflesso e inclinato dell’ angolo 2 j2 rispetto al tubo portasecondario: le basi del tronco di cono saranno evidentemente uguali alle dimensioni dei due specchi. Il foro è stato sovradimensionato di un paio di mm rispetto alla linea teorica ricavata per tracciatura per evitare che, a causa delle piccole variazioni dell’ inclinazione degli specchi in fase di regolazione, il fascio riflesso venga parzialmente intercettato dal tubo. In figura 9 è mostrato lo schema di montaggio del sistema di controllo della lente correttrice, interamente contenuto nel tratto terminale del tubo da 110 mm:

  • 1- tubo portasecondario da 110 mm
  • 2- manicotto portalente
  • 3- asse di rotazione delle lente
  • 4- manopola di comando della lente
  • 5- rondella in nylon
  • 6- ghiera di bronzo con grano di bloccaggio alla manopola
  • 7- barretta esagonale ricavata da chiave a brugola extra lunga
  • 8- barra filettata inox, forata, recante in testa il grano 15
  • 9- bottone di contatto in bronzo
  • 10- ghiera
  • 11- manicotto in PVC
  • 12- cella della lente correttrice
  • 13- molla di richiamo
  • 14- supporto della molla
  • 15- grano inox con foro passante

 

Tramite un grano M3 si è resa solidale alla manopola (4) una barretta esagonale (7) da 2,5 mm ricavata da una chiave per viti a brugola, del tipo extra lungo. La barra filettata (8), con filetto M6, è stata forata assialmente con un foro passante da 3 mm, che è stato allargato a 4 mm su un lato, per una lunghezza di 10 mm. Nel foro allargato si è inserito, fissandolo con del frenafiletti (loctite 270) un grano M5 (15) al quale è stato asportato al tornio il filetto e sul quale è stato praticato un foro assiale fino ad incontrare la sua cava esagonale. In questo modo, ruotando la manopola (4), si può far scorrere avanti e indietro la vite (8) senza che la manopola si sposti assialmente. Il bottone di bronzo (9) , provvisto di un codolo da tre mm di diametro e inserito nella vite (8) alla quale è bloccato con il frenafiletti, trasmette lo spostamento assiale alla cella della lente (12) facendola ruotare.La molla di contrasto (13) mantiene aderente la cella al bottone. L’ asse di rotazione 3-3 della lente deve essere disposto sul piano sagittale del tubo portasecondario mentre il bottone deve spingere la lente in un punto spostato di circa 15° rispetto a questo asse di rotazione per evitare che il bordo della cella, arretrando sotto la spinta della vite, possa perdere il contatto con il bottone. Il pericolo non è da sottovalutare: infatti, durante la fase di regolazione, il piano della lente ruota di un angolo che può arrivare a più di 30°.La lente andrà montata con la superficie piana rivolta verso lo specchio secondario e il bordo con lo spessore maggiore dovrà trovarsi dalla parte dello specchio principale. In figura 7 sono riportate le dimensioni d’ ingombro dello Schiefspiegler che, una volta montato sulla colonna, risulta assai maneggevole da usare. E’ tuttavia necessario disporre di una montatura in grado di reggere il peso dello strumento ma soprattutto di contrastarne il notevole momento di inerzia. La testa equatoriale che compare nelle immagini è una Laborfoto attualmente sostituita con la più moderna 10 micron. Il peso complessivo dello strumento è di poco inferiore ai 20 Kg, quasi 6 Kg in meno rispetto alla versione originaria

Impressioni d’ uso

Chi non conosce questo tipo di strumento rimane all’ inizio alquanto perplesso nell’ accostarsi all’ oculare perché l’ asse di quest’ ultimo, insieme al tubo portasecondario, punta in tutt’ altra direzione rispetto a quella in cui si trova l’ oggetto osservato. La perplessità si trasforma subito in stupore per il dettaglio e il contrasto delle immagini lunari e planetarie. Lo Schiefspiegler è infatti adatto in particolare a questo tipo di osservazioni, oltre che a quello delle stelle doppie. Ciò non toglie che in una serata particolarmente tersa, abbia potuto osservare M42 in tutta la sua bellezza. Nell’ osservazione lunare si possono apprezzare minuti particolari come la rima di Hyginus e il solco che punta su Triesneker, oppure i delicati movimenti del suolo attorno a Cassini. Dei pianeti ho potuto osservare Saturno, dove la divisione di Cassini (che prima non avevo mai potuto osservare con il mio Newton f/6 da 200 mm) era nettamente osservabile a 266x. Una visione mozzafiato di questo pianeta mi è capitata nel corso della messa a punto delle ottiche applicate alla struttura provvisoria di figura 3: complice una serata di seeing eccellente, ho potuto ammirare i dettagli del pianeta, perfettamente immobile, a 400x. Peccato che, una serata così, non mi sia più capitata. Tra le doppie osservate, molto bella e immediatamente separabile a 100x con un Plossl da 40 mm è stata a Geminorum (2,9″); h Orionis (1,5″) è risultata sdoppiata a 200x con un Erfle da 20 mm col quale ho visto assai bene anche 7 Tauri (0,8″). Una prova su l Cassioppeiae con un plossl da 15 mm ha dato esito incerto a causa del seeing: si vedeva soltanto un puntino luminoso che continuava a sdoppiarsi e rifondersi.

Centratura delle ottiche

Una delle caratteristiche più interessanti di questo telescopio è la possibilità di intervenire in qualsiasi momento per effettuare una corretta centratura delle ottiche senza incontrare grosse difficoltà: anzi, la sua regolazione è, a mio avviso, più agevole di quella richiesta per un Newton. E’ necessario intervenire in due fasi: quella di pre-regolazione e quella di regolazione fine.La pre-regolazione può essere fatta di giorno o la sera in una stanza illuminata. Si toglie l’ oculare, si copre lo specchio principale con con un cartoncino circolare bianco, dello stesso diametro dello specchio, sul quale è stato disegnato con un compasso a china un cerchio concentrico a circa 5 mm dal bordo. Traguardando dal tubo porta oculare, si chiederà a una seconda persona di ruotare le viti di regolazione dello specchio secondario finchè non si scorga il cerchio di china tutto intero e concentrico al tubo porta secondario. Si toglie ora il cartoncino e si punta lo specchio principale contro una parete chiara o contro il cielo diurno. Si vedrà riflessa la parte terminale del tubo porta secondario. Si ruota ora la vite meridionale (quella all’ estrema sinistra rispetto all’ osservatore) finchè questa immagine scompare alla vista. Questo è anche il momento in cui è possibile valutare la bontà della costruzione meccanica: se è corretta, il tubo porta secondario sparirà alla vista camminando sempre lungo la mezzeria dello specchio principale (più precisamente lungo il piano meridiano). Piccole deviazioni si possono correggere con le viti sagittali

La pre-regolazione è così terminata e si può passare alla regolazione fine. La prima cosa da fare è puntare la Polare con un oculare che fornisca almeno 200 ingrandimenti. L’ immagine extrafocale si presenterà ellittica (fig 11 – a) per la presenza dell’ astigmatismo. L’ asse maggiore dell’ ellisse, che avrà una orientazione casuale, dovrà essere portato a far coincidere o con il piano meridionale o con la direzione sagittale.Per far ciò si dovrà ruotare una delle due viti sagittali in modo da ottenere quanto appena detto. L’ unica difficoltà che si incontra è dovuta al fatto che, ruotando la vite, si corregge l’ inclinazione dell’ ellisse ma contemporaneamente l’ immagine tende a uscire dal campo visivo per cui si dovrà compensare con movimenti micrometrici della montatura. La scelta della Polare evita la complicazione di dover lavorare con il moto orario inserito. Quando l’ ellisse sarà stata ruotata in modo corretto si inizierà ad agire sul comando della lente correttrice aumentandone l’ inclinazione finchè l’ immagine extrafocale della stella non diventi perfettamente circolare (fig. 11 – b).A questo punto si esaminerà l’ immagine di diffrazione della stella: se è uniformemente illuminata la regolazione si è conclusa con successo ma se si nota una maggiore illuminazione dalla parte del primario allora è presente del coma sottocorretto e si dovrà aumentare leggermente l’ inclinazione della lente. Naturalmente questa inclinazione andrà diminuita se il disco stellare appare più illuminato dalla parte opposta al primario. Questa ulteriore inclinazione della lente introdurrà un leggero stigmatismo: l’ immagine tornerà ad essere ellittica e la si dovrà correggere agendo nuovamente sulla vite meridionale. Sembra tutto molto complicato ma posso assicurare che dopo un paio di regolazioni le operazioni diventano quasi naturali. Si potrebbe anche lavorare in pieno giorno con una stella artificiale ma, data la focale di questo tipo di strumenti, non è facile trovare uno spazio libero adatto per posizionare la classica pallina da albero di natale ad una distanza di almeno 200 volte la focale. Anton Kutter, nel suo libro, raccomanda poi di montare la lente in modo che, oltre ad essere girevole, possa traslare rispetto all’ asse del tubo. Il motivo è da ricercarsi nel fatto che la lente potrebbe introdurre un leggero spettro colorato. Tale spettro verrebbe eliminato ricorrendo ad una traslazione della lente in direzione perpendicolare all’ asse ottico e muovendola dal blu verso il giallo. Ho rinunciato per semplicità costruttiva a questa regolazione ma effettivamente, alla luce dei risultati, non mi sembra che ve ne sia la necessità, almeno per questa apertura di 200 mm.

 

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