PREGUNTAS FRECUENTES SOBRE LA COLIMACIÓN DE UN TELESCOPIO NEWTONIANO
Por Nils Olof Carlin

Traducido por Javier Rebagliatti
Nota del traductor: Este artículo, como su nombre lo indica, trata de la colimación de un Newtoniano. Lo elegí debido a su gran cantidad de gráficos explicativos, además de poseer un gran soporte teórico no solo sobre la colimación, sino tambien sobre otros temas relacionados con esta y les va a ser de mucha utilidad para aquellos que deseen construir su propio telescopio.

"...una mala colimación es el asesino número uno de los telescopios en todo el mundo..." Walter Scott Houston

Los diferentes tipos de telescopios, como los Newtonianos, los Schmidt-Cassegrain, o los refractores necesitan una buena colimación. No obstante, tienen bastantes componentes ópticos diferentes, y aquí solamente hablaré de los telescopios Newtonianos, el más simple de los telescopios de espejo.

¿Newtoniano?, ¡Mi telescopio se supone que es un Dobsoniano!

No se preocupe. Un telescopio Dobsoniano es una clase especial de los Newtonianos, con una simple, pero muy eficiente montura que lo distinguen de los otros Newtonianos. Opticamente, y sobre todo en lo que a colimación se refiere, son lo mismo.

Compré un telescopio y es colimado (del verbo colimar *) de fabrica. ¿Tengo que molestarme por la colimación?

Si, muy probablemente. Si usted tiene un Schmidt-Cassegrain, o un Maksutov colimateado de fábrica, puede muy bien dejar la colimación de lado y tener una buena chance para disfrutar de la exelente performance de su telescopio por los años que vienen. Con un Newtoniano, las chaces son menores, por varias razones:

El espejo principal debe sostenerse en un lugar que no esté sometido a esfuerzos (stress) que podrían doblarlo y cambiar su figura óptica, y no puede sostenerse rígidamente - tiene que poder moverse ligeramente cada vez que usted transporta o mueve el tubo. El espejo secundario se sostiene por una "araña" (spider *) que puede cambiar su posición en cualquier momento bastante ligeramente, y como veremos, esto no perturba suficientemente la colimación para realmente importar.

Si usted mueve su telescopio a cielos oscuros y alejados, y particularmente si tiene uno de esos con tubos desarmables que puede armar y desarmar, debe chequear la colimación cada noche y ajustarlo cada vez que sea necesario.

Aún si su telescopio era colimado de fábrica, antes de comprarlo pudo haber estado 'encendido' mucho tiempo antes de llegar a sus manos, y hay muchas posibilidades que haya perdido mucho de su colimación. Si usted aprende cómo chequear la colimación, sabrá si su telescopio está listo o no para darle lo mejor.

Si la situación es tan mala, tal vez el Newtoniano no sea para mi. Debería cambiarlo por uno mejor

Mi consejo es: piénselo de nuevo. Puede haber otras buenas razones para que usted prefiera otro tipo de telescopio. Pero un buen Newtoniano tiene un gran desempeño cuando está bien colimado, y puede estar cerca o adelante de cualquier otro instrumento del mismo tamaño (apertura). Antes de decidir cambiarlo, pregunte cuánto mas tendrá que pagar por uno alternativo.

Suponga que usted compró una buena guitarra con un tono encantador, y que está aprendiendo a tocarla. Ahora se da cuenta que está un poco desafinada. ¿Qué hace? - ¿aprende a afinarla, o la cambia por un piano?.

Creo que la razón por la cual los Newtonianos tienen una dudosa reputación en cuanto a su rendimiento crítico es que muchos de los Newtonianos nunca fueron colimados del todo. Las ópticas pobres pueden no ser fáciles ni baratas de reparar. Una colimación pobre, no obstante, es algo que usted puede aprender a manejar, y hay muchas probabilidades que cambie su interés con respecto a la observación estelar.

No olvide - una colimación completa de todos los componentes ópticos es una parte del trabajo - pero el chequeo nocturno toma unos segundos, y el ajuste, de ser necesario, puede tomar un minuto.

Muy bien, estoy dispuesto a darle por lo menos un intento. ¿Cómo lo hago?. ¿Leo el manual?

Cuando intenté averiguar los cómo y por qué de la colimación, tuve muy poca ayuda de los manuales para mi (telescopio de *) 6 pulgadas (15 cm). Probé leyendo la sección de colimación de varias revistas y libros sin entender realmente que pasaría ni por qué. Seguí intentando y en un momento sentí que mis esfuerzos fueron en vano. Por eso escribí esto - Espero que pueda hacer esto fácil para usted. Pero déjeme decirle esto: Mucho de lo que escribo aquí es de conocimiento común, aún si no son fáciles de conseguir, pero algunos son el resultado de mis propios estudios y experimentos -particularmente el análisis del error (prueba y error, supongo *) y otras herramientas- y muchas de las recomendaciones hechas aquí son realizadas por mi. Creo que esto es una buena noticia, pero puedo haberme equivocado en algunos cálculos -si usted encuentra algún error en lo que dije, no dude en escribirme (e-mail). Déjeme decir también que la colimación es objeto de muchas discusiones calientes entre nosotros, y dudo que esto le ponga punto final.

Creo que le será fácil aprender cómo, si sabe el por qué. Por todos los medios ¡lea su manual!. Los diferentes telescopios difieren en detalles de diseño, y su manual probablemente contenga información valiosa de cómo ajustar los tornillos y cosas en su instrumento particular.

¿Cuáles son las partes importantes de un Newtoniano, qué debo hacer y cuáles son las partes que puedo o necesito ajustar?

Este es el conjunto básico, y si usted lo conoce bien, léalo rápidamente.

Las partes ópticas son:

El espejo principal o primario.

Este es el espejo grande situado en la parte posterior del tubo, con una cara cóncava y aluminizada representada por una superficie parabólica extremadamente exacta. Éste concentra la luz proveniente de una estrella en una imagen fina -no exactamente un punto, sino un patrón de difracción con un pequeño círculo rodeado por anillos oscuros y pequeños.

Está sostenido en alguna clase de celda de espejo, imaginaria o simple, que descansa sobre tres tornillos de ajuste. Ajustando dichos tornillos, usted puede realizar el ajuste fino de la inclinación del espejo principal, lo cual es una parte importante de la colimación (solamente necesita ajustar dos de ellos -pordría ser prudente dejar el tercero en una posición intermedia). A menudo hay tres tornillos extra para fijar la celda del espejo en su lugar, una vez que esté ajustada. Puede verse algo parecido a esto:

El espejo diagonal o secundario.

Este es un espejo mas chico con una cara elíptica (Su tamaño está dado por la longitud del eje menor, o sea su "ancho"). Está suspendido por un spider (araña *) con una o varias aletas dentro del tubo cerca de su apertura, y la cara está a 45º del tubo. Se usa para deflectar la luz proveniente del espejo principal en forma oblicua, para que pueda ver la imagen sin tener su cabeza en el camino de la luz proveniente de las estrellas.

El sostén del espejo diagonal, y a veces la araña misma, es ajustable. Puede moverse (mas o menos fácilmente) hacia los lados y a lo largo del tubo, y puede inclinarse (o rotarse) ligeramente. Normalmente, el sostén del espejo tiene un perno (bolt *) central y tres tornillos para su ajuste.

El ocular (eyepiece *)

Es mas o menos una lente que amplía la imagen, usado para ver la imagen de una estrella o cualquier otra cosa que mire. Tiene una cierta distancia focal, y con distintos oculares de diferentes distancias focales, usted puede seleccionar el aumento (a veces llamado "poder" (power *)) que desee. El enfocador (focuser *) es donde usted pone el ocular, tiene un drawtube (no se cómo se traduce *) que sostiene al ocular y puede moverse de a poco hacia adentro y hacia afuera, tanto como necesite para enfocar para tener la vista mas fina.

Estas partes ópticas están mantenidas en alineación mecánica por un tubo. El tubo, a su vez, está sostenido por alguna montura que le permite apuntarlo hacia cualquier cosa que desee en el cielo, y tal vez seguir su movimiento aparente por la rotación de la Tierra.

¿Cómo se supone que tienen que estar alineados cuando el lugar está bien colimado?

Hay dos ejes ópticos en un telescopio Newtoniano: el eje óptico del espejo principal, y el eje óptico del ocular. El eje del espejo principal es perpendicular al espejo en el centro óptico -por motivos prácticos se lo toma como el centro del espejo de vidrio circular. Por conveniencia está marcado con un punto de pintura o cinta (mas acerca de esto después).

La luz proveniente de una estrella en la dirección exacta del eje del espejo principal será reflejada y "concentrada" en una imagen fina en el foco sobre ese eje. La distancia a lo largo del eje óptico, desde el centro del espejo hasta el foco, es la longitud o distancia focal.

Las estrellas se concentrarán en imágenes finas en el plano focal, en o cerca del foco. (En realidad, el plano focal es parte de una esfera, con su radio igual a su distancia focal).

El eje del ocular normalmente se toma como el centro del tubo (drawtube *) del ocular. El espejo secundario refleja la luz incidente hacia el lado del tubo, y aqui se forma la imagen concentrada, y se ve con el ocular. El secundario también "refleja", o bien deflecta, el eje óptico.

El propósito principal de la colimación es alinear los dos ejes para formar un eje común. Normalmente usted hace esto ajustando la posición e inclinación del espejo secundario, y la inclinación del espejo principal.

Ahora viene algo de teoría pesada - ¿Realmente tengo que leerla?

Me alegra su pregunta -si lee esto por primera vez, probablemente encontrará una pequeña dificultad en masticar y tragar de una mordedura. Pues bien, si lo desea, salte a "el fin de la teoría pesada" para algún material mas práctico. Pero estoy seguro que la teoría hará que usted entienda mejor las cosas prácticas, y usted puede volver a leerlo en cualquier momento posterior.

Un trasfondo sistemático: (a systematic background *)

El propósito del siguiente sistema de requerimientos para la colimación de Newtonianos, y los correspondientes errores, es facilitar el entendimiento del proceso (por ilustraciones, vea la sección sobre los errores correspondientes).

El requerimiento primero y principal es:

1 - Los dos ejes ópticos deben coincidir, formando un eje común.

Para simplificar el análisis del error, este puede romperse en dos partes, dando distintas clases de error si se violan.

1A - Los ejes ópticos deben intersectar en el punto común de los focos.

1B - Los ejes ópticos deben ser paralelos.

Cuando se dan esos requerimientos, y podemos considerar un eje óptico común, los siguientes requerimientos suplementarios deben cumplirse:

2 - El eje óptico debe "golpear" el centro óptico del espejo secundario.

3 - El eje óptico debe ser deflectado 90 grados por el espejo secundario.

4 - El eje óptico (entre los espejos primario y secundario) debe estar centrado en el tubo.

Un telescopio Newtoniano puede colimarse para cumplir cada uno de esos requerimientos mas o menos exactamente, pero como con los ajustes mecánicos en general, no pueden y necesitan no ser cumplidos exactamente.

Si analizamos los efectos de los errores por separado, podemos decidir sobre las máximas tolerancias de los errores. Podemos entonces asegurarnos que el telescopio funcionará tan bien como pueda, si la colimación está hecha dentro de esos límites. Esta es una breve discusión sobre los efectos de los errores.

Error tipo 1A - El eje óptico está separado del foco por una distancia D. Esto puede tomarse para dar a entender que el foco del ocular está en el plano focal del espejo principal, pero a una distancia D de su foco.

Este es un error crucial para la observación. Las imágenes a través de espejos parabólicos pueden ser casi perfectas cerca del punto focal, pero sufren de una severa aberración de coma (coma *) al incrementar la distancia. La aberración de coma es una aberración óptica que causa pérdida de contraste y resolución de detalles.

Esta pérdida es aproximadamente proporcional a la distancia al foco, y proporcional a la tercera potencia de la relación focal f (esta es la distancia focal dividido por su diámetro). (por más información haga click aquí *).

Cualquier buen ocular da una imagen muy fina cerca de su foco -este está en el centro del campo de visión. Hacia el borde, sin embargo, todos los oculares causan mas o menos falta de agudeza de las imágenes de las estrellas. Esto se debe principalmente al astigmatismo (¡No puedo expicar esto aquí!) del ocular -no es una falla del espejo- pero se muestra peor con un espejo de foco corto (con una relación focal chica). Para la mayoría de los oculares, la aberración de coma del espejo principal tiene mucha menos contribución para la falta de agudeza.

Pero si el foco del ocular está en el plano focal lejos del foco del espejo principal, habrá algo de aberración de coma justo donde la imagen debería ser mas fina, y la imagen no es competamente clara y vigoroza como tendría que ser -particularmente cuando usa grandes aumentos para tomar los sutiles detalles de las superficies planetarias.

Bajo condiciones ideales, la distancia máxima desde el foco donde la aberración de coma solamente afecta la difracción de la imagen proveniente de una estrella, viene dada (Sidgwick) por 0,0036 * f ³ mm (0,000143 * f ³ in.).

 A una distancia de 0,0088 * f ³ mm (0,00035 * f ³ in.), la aberración de coma introduce un error de frente de onda de ¼ de onda (en adición a cualquier otro error presente: Sinnott) (La definición usual de un "buen" telescopio es aquel que permite que todas las partes de una onda de luz que entra a él permanenzcan dentro de una precisión de 1/4 de longitud de onda en el momento del enfoque *).

Para imágenes de alta resolución, la tolerancia debe ajustarse en cualquier lugar dentro de esos valores (ver la tabla debajo). Las tolerancias pueden ser menos estrictas para fotografía de campo amplio y para observación de bajo poder solamente, y tal vez también para instrumentos de mucha apertura donde el seeing (¿que es el seeing? - Haga click aquí) limitará la posible resolución.

Sorpresivamente, el tamaño del espejo del telescopio no entra en los cálculos, Un telescopio grande no tiene una "dulce mancha" mas grande que uno pequeño. Usted se dará cuenta que los telescopio de foco corto (pequeño f/número) son mucho más críticos para colimar -que es un precio que debe pagar por la conveniencia de un telescopio corto de campo amplio.

Error tipo 1B - El eje óptico no está paralelo, pero forma un ángulo.

Este es un requisito crucial para la fotografía de campo amplia. Una estrella forma una imagen borrosa si no está bien enfocada dentro del "plano" focal. La medida del trazo borroso puede calcularse fácilmente: Siendo g la distancia desde el centro hasta la esquina de la película fotográfica, b la medida del trazo borroso permitida, y A el ángulo de error permitido en radianes: A=b.f/g (para obtener grados, multiplique por 57.3).

Asuma que tiene un espejo principal f/5 (¡f=5!), y usa una cámara de 35mm. Usted desea que el trazo borroso sea de menos de 0,1mm cerca de la esquina de la película, 20mm de distancia. Esto da A=0,025, o 1,4º. El trazo borroso provocado por la aberración de coma es, en comparación, aproximadamente b=g/(4f²), en este caso 0,2mm.

Para el uso visual, los efectos de un error de este tipo son mas dificiles de calcular. Los oculares del mundo real tienen, mas bien, superficies focales fuertemente curvadas así como el astigmatismo fuera del eje -aún si algunos tipos (no justamente los caros, sino también los voluminosos y duros) son mejores que otros.

Si asumimos que el trazo borroso (como calculamos arriba) no debe ser peor que la aberración de coma (el cual, a su vez, no es peor que el astigmatismo del ocular), las dos fórmulas de arriba dan A=1/(4.f). ¡Para un f/5 es 3º, para un f/8 es 1,8º!.

Otra manera de mirar esto es: Con un ángulo erroneo, algo de luz llega al foco en un ángulo mas empinado de lo que debería, por eso la posibilidad de un astigmatismo de ocular se incrementa. Si usted tiene un espejo f/8, nada de luz llegará en un ángulo mas empinado que con un espejo f/6 exactamente colimado, si el error del tipo 1B es 1/48 radian o 1,2º.

Tal vez la concecuencia visual mas seria es que un error del tipo 1B puede causar un error del tipo 1A si la colimación esta hecha para que los ejes se intersecten en un punto lejos del foco. Si sabemos esto, podemos evitarlo. Con las herramientas adecuadas, no es difícil colimarlo dentro de una pequeña fracción de grado.

Error tipo 2 - El eje óptico pega al secundario en un punto lejano del centro óptico.

El espejo secundario en una superficie elíptica con una relación eje mayor-menor igual a la raíz cuadrada de dos (Eje mayor=1,414*Eje menor *), para una deflección de 90º. Dependiendo de su tamaño, deja que algo del plano focal esté completamente iluminado, que es cualquier punto dentro del área de iluminación total que ve la totalidad del espejo principal reflejado en el secundario. Fuera de esta se peirde algo de luz.

Debido a la inclinación de 45º, la superficie elíptica parece circular cuando la mira con su ojo en el eje óptico cerca del foco. Sin embargo, debido a la perspectiva, el centro del círculo que usted ve está desplazado del centro geométrico de la cara del espejo. El desplazamiento puede calcularse con una fórmula muy compleja, pero la fórmula

desplazamiento = eje_menor / (4 . relación_focal)

es suficientemente exacta para propósitos prácticos. Este desplazamiento es tanto en la dirección del enfocador como en la dirección del espejo principal, y para obtener la distancia a lo largo de la cara del espejo, el desplazamiento debe multiplicarse por 1,414 (la raíz cuadrada de dos).

Un error del tipo 2 causa que el campo completamente iluminado esté desplazado respecto al foco, lo cual causará una desigual pérdida de luz cerca del borde del campo de bajo poder. La tolerancia no debe ser mayor que el radio del campo completamente iluminado, para asegurar que el foco esté completamente iluminado, y un desplazamiento de unos pocos milímetros debe tener un pequeño efecto visual. La precisión necesaria se logra facilmente con las herramientas adecuadas.

Para fotografía de campo amplio, todo la superficie de la película debe estar totalmente iluminada. Esto puede necesitar un diagonal con un tamaño del 30% del diámetro del espejo principal, o aún mas. Para el uso visual, se prefiere comunmente un diagonal de no mas del 20-25% de tamaño, con el objeto de minimizar los efectos no deseados de la difracción. Aquí, una pequeña área de iluminación total es suficiente, pero al menos el foco debe estar siempre totalmente iluminado. Para lograrlo es importante usar un enfocador de "bajo perfil", que es un enfocador que deja al foco (y al ocular) llegar tan cerca del tubo como sea posible.

Para calcular el tamaño del diagonal o el tamaño del campo totalmente iluminado: sea D el diámetro del espejo principal, d el diámetro (eje menor) del secundario, F la distancia focal, b la distancia desde el centro óptico del secundario hasta el foco, y x el diámetro del campo totalmente iluminado:

x = (F.d-D.b)/(F-b) ó d = x + b.(D-x)/F

Error tipo 3 - El eje óptico combinado no es reflejado a 90º. Los espejos secundarios y sus apoyos estándar están diseñados para una reflexión de 90º, y visto desde el foco la supeficie elíptica parece circular. Un ángulo de mas o menos de 90º provocará que parezca elíptica, y también puede causar vignetting (no se como se traduce *) (o sea el bloqueo de algo de luz) por partes de su apoyo. Si usted lo tiene colimado, y mira la reflexión del espejo secundario, su apoyo debe parecer sobre el eje y no debería ver su lado. Si puede verlo, y parece "inclinado", debe considerar acuñar (shimming *) o de otra manera "cuadrar" el enfocador. Un error del tipo 3 no tiene otros efectos en la imagen (contrariamente a lo que muchos creen).

Error tipo 4 - El eje óptico no está centrado en el tubo. Si está groseramente fuera del centro, la apertura del tubo puede causar algo de vignetting, y debe solucionarse. De otra manera, no tendrá efecto óptico. Esto puede causar problemas con algunas monturas, un eje desplazado no trazará un círculo grande cuando el tubo se mueva en declinación. Esto puede introducir algún error cuando se usan círculos de ajuste digital.

Fin de la teoría pesada - al menos la mayoría de esta.

Entonces ¿qué pasos debo tomar para colimar mi telescopio?.

La alineación de los componentes ópticos debe hacerse en una secuencia tan simple y ordenada como sea posible. Idealmente, debe empezar con un extremo de la cadena óptica y entonces proceder en pasos hasta el otro, sin volver atrás para reajustar lo que ajustó antes. con los telescopios reales esto no es posible, los ajustes afectan a los otros de diferentes maneras, dependiendo de los detalles de diseño. Por ejemplo, con los soportes de diagonal comunes, no es posible ajustar ajustar la inclinación sin mover significativamente el centro óptico.

Una (pero no la única) manera práctica es hacerlo en el órden descrito abajo. Recuerde que esto se refiere a la colimación completa, como cuando arma el telescopio con sus partes - ¡No tiene que hacer todos estos ajustes para tener su telescopio listo para la observación nocturna!. El paso 5 (y talvez el paso 8) es normalmente suficiente.

Las herramientas se describirán en una sección posterior, con detalles de su uso. Los números de los errores se explicaron en la sección de teoría, que tal vez usted salteó.

1 - Cuadrar el enfocador

Si el enfocador parece estar montado en cuadro con el tubo, es poco probable que esté en una mala posición. Si usted hizo su propio tubo de telescopio, puede hacer una pequeña marca en el lado opuesto al agujero del enfocador. Con el diagonal fuera de lugar, use un dispositivo para apuntar en el enfocador. Ajuste (shim *) el enfocador al centro de la marca. Un pedazo de tubería que entre en el enfocador, lo suficientemente larga para pasar a través del tubo, lo hará aún mas fácil, y también lo hará un colimador láser o un tubo con una mira (crosshairs sighting tube. Traducción literal, tubo para apuntar de pelos cruzados *). (Esto minimiza el error tipo 3).

2 - Centrar el espejo secundario en el tubo

Usted debe desplazar el diagonal del centro del tubo, alejándolo del enfocador. El desplazamiento puede calcularse: desplazamiento=eje_menor/(4*relación_focal). Ejemplo: con un diagonal de 33mm (el tamaño se refiere al eje menor) en un Newtoniano f/6, el desplazamiento es 33/24mm = 1,3mm. Use una regla, o sino espere y ajuste después de haber hecho el paso 6. (Si no puede desplazar el secundario, por ejemplo debido al diseño del spider (araña *), debe dejarlo centrado sin consecuencias serias. Vea los comentarios después del paso 8). (Esto minimiza el error tipo 4).

3 - Centrar el espejo secundario a lo largo del tubo, como se vió, en el centro de los rayos externos (¡este es el punto donde el espejo principal parece caber exactamente en la cara del secundario!). Como se explicó previamente, el espejo secundario debe estar desplazado tanto en la dirección contraria del enfocador (esto se hizo en el paso anterior) como en la dirección del espejo principal (pero, puesto que, éste parece centrado sólo cuando está correctamente desplazado, ¡tenga cuidado en este paso!).

Puede centrarlo con un tubo para apuntar simple o combinado, como se describe después. También puede usar un tubo con una mira o un colimador láser para hacerlo, pero entonces necesita una marca en el centro óptico. Si encuentra que el secundario está corrido "de lado", alejado del eje del tubo.