L’oculare di Huygens, storia e applicazioni

L’oculare di Huygens è stato un accessorio popolarissimo fino ai primi decenni del XX secolo e assieme al Ramsden costituiva la dotazione standard dei telescopi professionali, sia rifrattori che riflettori, che prevedevano la possibilità di effettuare anche osservazioni visuali. Ad esempio il rifrattore Merz da 22 cm di diametro con il quale Giovanni Schiaparelli descrisse i canali di Marte aveva in dotazione 6 oculari di Huygens con i quali si ottenevano ingrandimenti da 67 a 468x, più un certo numero di oculari di Ramsden da usare col micrometro, e anche il successivo rifrattore Merz-Repsold da 49 cm era stato fornito con un corredo di oculari semplici, positivi e negativi.

Dotazione di oculari a due lenti del rifrattore Merz-Repsold da 49 cm.

Dotazione di oculari a due lenti del rifrattore Merz-Repsold da 49 cm.

Anche il più recente riflettore Zeiss da un metro dell’osservatorio di Merate aveva la sua batteria di Huygens fino a 150 mm di focale, un vero ultragrandangolare con un campo apparente di circa 80°.

Oculare Huygens da 80 mm di focale per il riflettore Zeiss da 1 metro dell'Osservatorio di Merate.

Oculare Huygens da 80 mm di focale per il riflettore Zeiss da 1 metro dell’Osservatorio di Merate.

Oculare grandangolare di Huygens da 150 mm di focale.

Oculare grandangolare di Huygens da 150 mm di focale.

150mm lente occhio

Gli astrofili hanno usato l’Huygens estesamente fino agli anni ’80 del XX secolo, quando questo oculare veniva ancora fornito a corredo dei rifrattori acromatici più popolari ma anche dei piccoli riflettori, ad esempio il 114/900. Aveva un barilotto di 24.5 mm di diametro e si trovava in focali da 4 a 25 mm, le prime scomodissime da usare a causa della piccolezza della lente dell’occhio e della ridotta estrazione pupillare, mentre più diffuse erano le focali intermedie come il 9, il 12.5 e il 18 mm, sovente nella variante Mittenzwey (H.M.) oppure con la lente dell’occhio costituita da un doppietto acromatico (A.H. o Achromatic Huygens): di questo tipo era particolarmente diffuso il 40 mm, l’oculare a basso ingrandimento “dei poveri” che non potevano permettersi un Erfle giapponese perché sarebbe costato quanto il telescopio stesso. Per qualche tempo, verso la fine degli anni ’90, si sono visti anche in Italia degli Huygens giapponesi da 31.8 mm di diametro di serie ai rifrattori Vixen, ma la rivoluzione cinese e la conseguente diffusione di oculari di Kellner e Plossl a bassissimo costo li ha fatti sparire velocemente.

Oculari a due lenti per telescopi, con barilotto da 24.5 mm di diametro.

Oculari a due lenti per telescopi, con barilotto da 24.5 mm di diametro.

In definitiva gli astronomi, dilettanti e non, hanno fatto astronomia con l’oculare di Huygens per oltre due secoli, e come ricorda Bill Paolini in Choosing and using astronomical eyepieces, le più importanti scoperte astronomiche e i più importanti cataloghi celesti dei secoli dal XVII al XIX hanno avuto l’Huygens come protagonista.

Il fatto che l’Huygens sia oggi praticamente in disuso tra gli astrofili, anche tra coloro che fanno hires visuale, è dovuto a diversi fattori, tra i quali:

  • la cattiva fama di questo oculare, risalente a quando  equipaggiava telescopi più aperti di f/10 coi quali esibiva immagini molto aberrate
  • la disponibilità di alternative a schema più complesso e campo più corretto a basso costo
  • la relativa scarsità di telescopi con rapporti focali superiori a f/10, eccezion fatta per qualche acromatico e per i derivati dello schema Cassegrain
  • la scarsa estrazione pupillare, che nell’Huygens è pari a circa 0.1 – 0.2 volte la lunghezza focale.

Infine gli unici Huygens attualmente prodotti sono di provenienza cinese, con barilotto in plastica e privi di trattamento antiriflessi e quindi da scartare senza indugio, mentre quelli giapponesi per astronomia, costruiti decisamente meglio, si trovano raramente solo nel mercato dell’usato.

Fine della storia ? Beh, non proprio. Un’occhiata ai forum di astronomia rivela che gli osservatori visuali di pianeti – una specie dura ad estinguersi nonostante la diffusione del CCD – sono continuamente alla ricerca di oculari che soddisfino al meglio le loro esigenze.

L’oculare planetario “ideale” deve infatti possedere alcune caratteristiche costruttive che possiamo così riassumere:

  • minor numero possible di lenti
  • minor numero possibile di superfici aria/vetro
  • massimo contrasto e nitidezza al centro del campo
  • assenza di luce diffusa, riflessi parassiti, immagini fantasma
  • buona estrazione pupillare
  • buona correzione anche a bassi rapporti focali

Tutte queste belle cose non sono facilissime da ottenere, anzi alcune sono decisamente antitetiche ad altre. Ad esempio se si vuole l’ortoscopicità (non strettamente necessaria, tuttavia, per osservare i pianeti) e la correzione a bassi rapporti F/D occorre aumentare il numero di lenti e di gruppi. Se si vuole abbattere efficacemente la luce diffusa occorre “appesantire” il trattamento antiriflessi, ciò che può portare a percettibili shifts cromatici quando il numero di gruppi ottici inizia ad essere consistente e il trattamento non è calibrato sulle caratteristiche ottiche del vetro (ciò che purtroppo accade nella stragrande maggioranza degli oculari). E se si vuole ridurre lo spessore di vetro attraversato bisognerà accontentarsi di schemi ottici semplici, ma allora addio ortoscopicità ecc. ecc.

L’oculare che offre il “minimo ostacolo”, diciamo così, alla luce in arrivo è la lente singola, la quale abbisogna però di un obiettivo con un rapporto focale alto per non degradare l’immagine all’interno del suo piccolo campo apparente. Nonostante questa limitazione la Siebert Optics produce alcuni esemplari di singoletti per alta risoluzione a costi certamente più abbordabili rispetto agli oculari monocentrici e ai migliori ortoscopici, e di prestazioni – pare – paragonabili o persino superiori. Non è tuttavia difficile costruirsi da sé oculari di questo tipo acquistando le lenti (sfere) da qualche supplier (Edmund Optics) e riutilizzando il barilotto di oculari commerciali.

Oculare a lente singola della Siebert Optics (http://siebertoptics.com/Planesphere.html)

Oculare a lente singola della Siebert Optics (http://siebertoptics.com/Planesphere.html)

L’alternativa è l’oculare monocentrico, tre lenti cementate e dunque due sole superfici aria/vetro, attualmente riproposto in base al progetto TMB a prezzi astronomici e, secondo me, del tutto ingiustificati, tanto più che anche il monocentrico si può autocostruire senza troppa difficoltà.

Dopo il monocentrico ci sono gli oculari a due lenti in due gruppi. Cercando col lanternino – ma cercando bene, anche negli angoli e sotto i tappeti – si può trovare qualche Ramsden giapponese (sigla R o SR) di buona fattura con barilotto da 24.5 mm che tollera rapporti focali un po’ più bassi di quelli dell’Huygens perché meglio corretto per la sferica e che si può impiegare anche a f/8 – f/10. Di solito si tratta di pezzi da 4 o 5 mm di focale, utili (ma scomodi) nell’osservazione di astri bassi sull’orizzonte, in particolare Mercurio e Venere, ma si trovano anche da 25 e persino 50 mm di focale (Criterion). E infine gli Huygens, che sono l’oggetto di questa chiacchierata. Anche questi si possono autocostruire, ma non ne vale la pena perché se ne trovano molti di quelli da microscopio, adattabilissimi all’osservazione astronomica e a torto trascurati dalla maggior parte degli osservatori planetari. Ma ora facciamo un passo indietro ed esaminiamo questo oculare più in dettaglio.

Si tratta di uno schema ottico semplicissimo ideato da Christian Huygens negli anni ’60 del XVII secolo (ma descritto solo nel 1703) per cercare di superare i limiti degli oculari a lente singola, in particolare per aumentarne il campo apparente e rendere l’oculare più fruibile coi lunghi e scomodi rifrattori “aerei” della sua epoca.

Christiaan Huygens. L'oculare che porta il suo nome è del 1662.

Christiaan Huygens. L’oculare che porta il suo nome è del 1662.

Nella sua versione originaria è costituito da due lenti piano convesse in vetro crown con la convessità rivolta verso l’obiettivo e il piano focale tra le due lenti, ciò che evita di vedere la polvere depositata sulla lente di campo ma impedisce l’uso dell’oculare per le misure al micrometro.

Schema dell'oculare Huygens.

Schema dell’oculare Huygens (versione moderna).

L’oculare di Huygens offre un’ottima correzione dell’aberrazione cromatica laterale se la distanza tra le due lenti è pari a metà della somma delle loro lunghezze focali. Per minimizzare anche l’aberrazione sferica e il coma la lente di campo dovrebbe avere inoltre una focale pari a circa il doppio di quella della lente dell’occhio, ma la correzione non è comunque totale, soprattutto nel blu, e quindi l’oculare funziona bene solo con telescopi ad alto rapporto focale. I parametri di progetto dell’oculare possono comunque variare in funzione della focale risultante, in particolare il rapporto tra le lunghezze focali delle due lenti può andare da 1:4 a 3:2. La superficie focale dell’Huygens è curva, di conseguenza l’oculare non funziona bene con strumenti a campo piano eccetto che nelle lunghe focali, essendo l’accomodamento richiesto tra centro e bordo del campo inversamente proporzionale alla focale. Questo è il motivo per cui gli Huygens da 10 e più centimetri di lunghezza focale lavorano bene con i grandi telescopi professionali.

Le simulazioni tramite gli spot diagrams rivelano che fino a f/15 (in senso discendente) l’Huygens offre prestazioni sull’asse ottico praticamente indistinguibili da quelle degli ortoscopici e abbastanza buone anche a f/10 (almeno in asse), pertanto è un ottimo oculare per l’osservazione di astri angolarmente poco estesi, come i pianeti e le stelle doppie.  A f/5, invece, l’aberrazione sferica in asse risulta intollerabile.

fan huygens 2

Spot diagram dell’oculare di Huygens per diversi rapporti F/D e superficie focale curva. Si noti come a f/5 l’oculare sia praticamente inutilizzabile (da H.Rutten, M. van Venrooij, Telescope Optics, Willmann-Bell, pag. 173, www.willbell.com)

Spot diagram dell'oculare di Huygens accoppiato ad un obiettivo a f/15. Lo si confronti qui sotto con lo stesso diagramma per un ortoscopico di Abbe.

Spot diagram dell’oculare di Huygens accoppiato ad un obiettivo a f/15 e superficie focale piana. Lo si confronti qui sotto con lo stesso diagramma per un ortoscopico di Abbe: le prestazioni sull’asse ottico sono identiche (da H.Rutten, M. van Venrooij, Telescope Optics, Willmann-Bell, pag. 172)

fan abbe

Come accennato più sopra sono state messe a punto alcune varianti dello schema originario di Huygens, tra cui hanno avuto particolare fortuna quelle di George Airy e soprattutto di Moritz Mittenzwey, che aumentò il campo apparente utile dell’oculare tramite un menisco positivo come lente di campo e una lente piano-convessa dalla parte dell’occhio.

Torniamo ora agli Huygens da microscopio; ne esistono diversi tipi perché ogni brand ci ha messo del suo; fino a non molto tempo fa l’Huygens era quindi uno degli oculari da microscopio più comuni (anche in questo settore predominano oggi i grandangolari) ed è facilissimo da trovare nel mercato dell’usato.

Coppie di oculari di Huygens da microscopio che l'autore usa per le osservazioni coi visori binoculari.

Coppie di oculari di Huygens da microscopio che l’autore usa per le osservazioni coi visori binoculari.

Gli oculari da microscopio recano una stampigliatura del tipo 5x, 8x, 12.5x, 15x ecc., valore che va moltiplicato per quello stampigliato sull’obiettivo per conoscere l’ingrandimento risultante del microscopio. La focale dell’oculare si ricava dividendo 250 per il numero di cui sopra, per cui ad esempio un Huygens 10x ha 25 mm di focale. Il barilotto degli oculari ha in genere 23.2, 30 oppure 30.5 mm di diametro, ma per l’uso astronomico conviene privilegiare quelli da 23.2 mm per i quali svariati artigiani propongono appositi adattatori al diametro di 31.8 mm dei portaoculari da telescopio, adattatori che comportano solo un modesto rialzo dell’oculare rispetto alla battuta.

Attenzione a che l’oculare sia un Huygens puro e non sia del tipo compensatore, progettato cioé per funzionare con specifici obiettivi da microscopio di cui, appunto, compensa certe aberrazioni: coi telescopi ne introdurrebbe invece di indesiderate. Sul barilotto ci dev’essere quindi solo il fattore di ingrandimento e al più la lettera H, che però molte volte è omessa. In caso di dubbio conviene chiedere al venditore.

Poiché gli oculari più comuni hanno fattori di moltiplicazione che vanno da 5x a 20x ne consegue che le loro focali sono piuttosto lunghe, e poiché l’osservazione planetaria richiede ingrandimenti elevati si possono usare tali e quali, senza aggiuntivi ottici, solo su telescopi dotati a loro volta di focali lunghe, superiori a due metri, come i Cassegrain e i suoi derivati (Schmidt-Cassegrain, Dall-Kirham, Maksutov-Cassegrain) oppure coi rifrattori acromatici classici a f/15. Se gli oculari sono di qualità (vedi oltre) in questa configurazione presentano un vantaggio percettibile rispetto agli altri oculari a schema più complesso: i miei Huygens, ad esempio, con strumenti a f/15 forniscono immagini planetarie migliori – e nel peggiore dei casi paragonabili – di quelle degli ortoscopici giapponesi Vixen e “circle-T”, e ovviamente la differenza coi Plossl cinesi e gli ED a molte lenti risulta ancora più marcata.

In tutti gli altri casi (rifrattori, riflettori newtoniani) occorrerebbe una lente di Barlow per portare il rapporto focale almeno a f/15, ma qui il purista planetòfilo storcerebbe sicuramente il naso: “se davanti all’oculare ci metto una Barlow dove sta il vantaggio rispetto a un ortoscopico a quattro lenti ? finisco anzi per ritrovarmi con due superfici aria/vetro in più!”, direbbe il nostro amico. L’obiezione è sensata, infatti il vantaggio sta nell’impiego degli Huygens coi visori binoculari.

Quando per poter osservare col visore è necessario estrarre il fuoco per mezzo di un correttore di tiraggio che aumenta la focale nativa dello strumento secondo un certo fattore moltiplicativo, esattamente come fanno le lenti di Barlow, può accadere che il rapporto focale divenga compatibile con l’uso di oculari a due lenti: perché dunque non approfittarne ? La luce che entra nell’occhio ha già dovuto attraversare il correttore e i prismi, e se deve anche vedersela con oculari complessi a 6, 7 o 8 lenti come quelli che vanno di moda ora (i quali sovente incorporano un’altra Barlow) alla fine, per quanto possano essere puri i vetri ed efficienti i trattamenti, qualche cosa si perde per strada. In base alle prove che ho potuto effettuare, l’oculare di Huygens in queste circostanze offre veramente un vantaggio significativo, anche perché a rapporti superiori a f/20 (è ciò che ottengo ad esempio col mio Takahashi Mewlon 210 usando un correttore 2.16x) il campo apparente diviene totalmente corretto da quasi tutte le aberrazioni. Occorre anche tenere presente che il correttore di tiraggio del visore opera come una Barlow nell’aumentare l’estrazione pupillare degli Huygens di media e lunga focale, così che l’osservazione, pur limitata a un campo visivo ristretto, diventa però assai comoda senza peraltro soffrire di effetto di parallasse.

Perché si verifichi quanto sopra è ovviamente necessario che la qualità dell’oculare, o degli oculari, non sia dozzinale. Se siamo interessati all’osservazione planetaria gli Huygens da microscopio su cui dobbiamo mettere gli occhi sono soprattutto quelli vintage di produzione tedesca, austriaca, russa o giapponese. Su ebay si trovano parecchi di questi oculari realizzati con molta cura e a un costo che è una frazione di quello dei migliori oculari astronomici planetari come gli Zeiss Abbe II, i TMB Supermono o gli ortoscopici Pentax: una coppia di ottimi Huygens di produzione tedesca si acquista per meno di 200 euro mentre quelli giapponesi anche per meno di 50; occorrono naturalmente gli adattatori al diametro standard dei portaoculari da telescopio, ma questi si trovano per pochi soldi.

E’ preferibile che gli oculari  abbiano il trattamento antiriflessi multistrato piuttosto che il monostrato, perché questo garantisce immagini migliori e meno luce diffusa. Purtroppo gli esemplari più vecchi hanno solo il monostrato, riconoscibile per le riflessioni giallastre invece che blu o blu-verdi, e quindi bisogna darsi da fare per trovare gli oculari migliori, benché anche le prestazioni dei monostrato siano interessanti.

In questa disamina mi sono limitato a considerare solo lo schema di Huygens; esistono però altri tipi di oculari da microscopio con schema più complesso, corretti su un campo più vasto e adattabili ai telescopi. Qualche commerciante ne modifica il barilotto e li spaccia (a prezzi molto alti) per oculari “astronomici” anche se in realtà sono nati per la microscopia e per certi obiettivi particolari e il loro impiego coi telescopi andrebbe verificato caso per caso. In generale ritengo che non valga la pena di farsi spennare per procurarseli, il mercato degli oculari astronomici offre già una scelta sovrabbondante di schemi e focali per tutti i gusti e tutti gli impieghi.

R.B.

Credits: le immagini degli oculari in dotazione agli strumenti dell’Osservatorio di Brera sono state tratte dal sito http://www.brera.mi.astro.it/~carpino/ricognizione/index.html

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