Filtri solari per telescopi: mylar o vetro ?

di Raffaello Braga – (pubblicato su Coelum n.17, febbraio 1999 – www.coelum.com, qui riprodotto con modifiche dell’autore)

Lo scopo dei filtri solari per telescopi è quello di attenuare la luce del Sole per consentirne la visione diretta attraverso lo strumento e per escludere le radiazioni che potrebbero essere pericolose per l’occhio. I filtri solari commerciali si possono suddividere in tre categorie: filtri in vetro per obiettivi, filtri in pellicola polimerica (mylar) pure per obiettivi, filtri in vetro da avvitare all’oculare del telescopio. Conoscere le loro caratteristiche, i pregi e i difetti è molto importante per chi desidera dedicarsi all’osservazione del Sole e per questa ragione abbiamo effettuato un test comparativo sui filtri in mylar e in vetro distribuiti in Italia rispettivamente dalle ditte Caelum di Torino e Miotti di Milano. Prima di descrivere l’esito del test, però, è bene spendere due parole sui rischi che corre l’occhio umano quando si osserva il Sole senza protezioni adeguate e vedere di conseguenza quali devono essere le caratteristiche che un buon filtro solare deve possedere.

L’occhio trasmette alla retina la luce di lunghezza d’onda compresa tra 3800 e 14000 Å, vale a dire dal violetto al vicino infrarosso. Quando la retina è esposta a luce visibile di intensità molto alta si innesca una serie di complesse reazioni fotochimiche che possono danneggiare temporaneamente o permanentemente le cellule fotosensibili, cioè i coni e i bastoncelli, causando la perdita della funzionalità visiva. Questo tipo di danneggiamento è massimo quando la radiazione osservata è di colore verde o blu. Oltre ai danni di tipo fotochimico l’occhio può andare soggetto a danni di tipo termico quando sulla retina giunge radiazione rossa o infrarossa molto intensa che provoca un aumento di temperatura nello strato epiteliale immediatamente sottostante la retina. L’energia della radiazione viene convertita in calore che, se sufficientemente intenso, può distruggere le cellule della retina stessa. Sia il danno fotochimico che quello termico avvengono senza che l’osservatore ne sia cosciente in quanto sulla retina non esistono recettori per il dolore. Spesso ci si rende conto del problema solo molte ore dopo che è avvenuta la lesione. Per ogni lunghezza d’onda nell’intervallo riportato sopra, la retina possiede un valore di soglia di intensità oltre il quale l’osservatore riporta un danno permanente o temporaneo dei coni e dei bastoncelli. Dato che questo valore è conosciuto è facile mettere a punto dei filtri che mettano la retina in condizioni di assoluta sicurezza ogni qual volta si osservi una sorgente di luce molto intensa, da quella di un arco elettrico a quella del Sole. Senza scendere nei dettagli, si è trovato che un filtro con una trasmittanza (rapporto tra l’intensità della luce trasmessa alla retina e quella incidente sul filtro) dello 0,0032% è sufficiente per non incorrere in spiacevoli inconvenienti. Nella pratica si preferiscono valori attorno allo 0,0003% per contenere l’abbagliamento.

 

FILTRI IN VETRO

I filtri solari in vetro consistono in una finestra ottica a facce piane e parallele su cui viene riportato uno strato in lega inossidabile di nickel-cromo che costituisce il filtro vero e proprio, essendo il vetro solo un supporto. Dovendo essere posti davanti all’obiettivo i filtri in vetro non dovrebbero introdurre aberrazioni percepibili, altrimenti la risoluzione e il contrasto dell’immagine solare ne risulterebbero compromessi. Dato che lo strato metallico
ha uno spessore ridottissimo, eventuali aberrazioni possono essere imputabili solo al vetro che pertanto deve essere lavorato con le tolleranze richieste dall’osservazione astronomica (minimo 1/4 λ sul fronte d’onda). Se otticamente lavorato e finemente trattato per un corretto assorbimento della radiazione, il filtro in vetro fornisce risultati stupendi. Purtroppo un filtro siffatto finisce inevitabilmente per avere un costo elevato e poco conveniente, a meno che non lo si debba usare su telescopi di alte prestazioni: una lastra in vetro a facce perfettamente piane e parallele, infatti, costerebbe più di uno specchio parabolico dello stesso diametro. Per ovviare all’inconveniente del prezzo, alcune ditte americane hanno pensato di produrre dei filtri in vetro più economici e quindi alla portata di un pubblico più vasto di astrofili, utilizzando lastre in vetro di ottima qualità benché non lavorato con le tolleranze di cui si diceva. Il prodotto che così si ottiene non offre, per ovvi motivi, le stesse prestazioni dei filtri in vetro più costosi, ma considerando che il seeing diurno scende raramente sotto il secondo d’arco e che la maggior parte delle osservazioni solari si effettuano ad un ingrandimento medio o basso, sufficiente per effettuare il conteggio delle macchie solari e il disegno dell’aspetto generale del disco, questo non è un inconveniente serio. I filtri in vetro sono montati in una cella di alluminio che si inserisce sull’estremità del tubo del telescopio. La tenuta tra il filtro e il tubo è garantita da uno o più strati di feltro.

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FILTRI IN MYLAR

Il costo notevole dei filtri in vetro ottico di precisione ha portato diversi fabbricanti a sviluppare un’alternativa più economica, vale a dire il mylar, una pellicola in poliestere sintetico che, come il vetro, funge da supporto per uno strato riflettente metallico, in questo caso alluminio. I filtri solari in mylar hanno un aspetto poco rassicurante per il purista dell’alta risoluzione, in quanto la loro superficie appare pieghettata e ondulata e, a prima vista, del tutto inadeguata a fornire delle buone immagini. In realtà il ridottissimo spessore di queste pellicole (qualche micron) disturba assai poco il fronte d’onda e permette di ottenere immagini di alto contrasto, ben luminose e dettagliate. Perché sia ideale per astronomia, il poliestere deve essere molto sottile (dai 6 ai 12 μm) senza divenire per questo troppo delicato, e soprattutto il più omogeneo ed uniforme possibile, affinché abbia ottime caratteristiche in trasmissione nel visibile e diffonda al contempo la luce in misura trascurabile. Se ben realizzato, il poliestere trasparente produce un errore sul fronte d’onda che va da λ/10 a λ/4 per spessori da 1,5 a 12 μm della pellicola. In questo range la diffusione della radiazione attraverso il mylar rimane assai limitata e, considerando il fatto che il seeing diurno permette raramente di sfruttare ottiche migliori di λ/4, si può considerare ideale uno spessore che va da 6 a 12 μm circa. La riflessione della luce solare è garantita dall’alluminatura, che ha uno spessore attorno a 600-800 Å (0,06-0,08 μm). La durata e la resistenza all’usura dello strato alluminato sono inferiori a quelli dell’inox utilizzato sui filtri in vetro a causa soprattutto del fatto che il supporto non è rigido. Anche nei filtri in mylar il materiale filtrante è trattenuto in una cella d’alluminio.

 

DESCRIZIONE

Come si accennava all’inizio, abbiamo confrontato due tipi di filtri solari per obiettivi, quelli in vetro prodotti dalla Thousand Oaks e importati da Miotti di Milano, e quelli in mylar realizzati e distribuiti dalla Caelum di Torino con le pellicole prodotte dalla tedesca Baader Planetarium. Abbiamo scelto di provare due misure di filtri: per gli Schmidt-Cassegrain da 20 cm e per il Meade ETX, ma al posto di quest’ultimo abbiamo preferito utilizzare un piccolo rifrattore apocromatico. Come per qualunque altra cosa, anche la qualità dei filtri solari varia secondo il procedimento di fabbricazione e i controlli a cui il filtro viene sottoposto, quindi il test descritto nel seguito si deve considerare riferito esclusivamente ai prodotti citati e non ai filtri in vetro o in mylar in generale. I Thousand Oaks provati erano tutti del cosiddetto tipo 2, caratterizzato da un triplo strato di lega depositato sulla superficie del vetro rivolta verso l’obiettivo del telescopio, così da garantirne una maggiore durata. L’imballaggio è costituito da una scatola di cartone e da un involucro di plastica all’interno del quale si trova il filtro. Le istruzioni sono in inglese e secondo noi l’importatore dovrebbe fare uno sforzo per renderle disponibili in italiano, visto che tutto sommato il testo è breve (un foglio A4) e che il filtro potrebbe essere usato in modo improprio e pericoloso da persone inesperte. Ci sono infatti diverse cose a cui bisogna fare attenzione: controllare la presenza di lacune nel rivestimento metallico, coprire il cercatore durante le osservazioni, puntare il telescopio lontano dal sole prima di togliere il filtro, ecc. Tutte informazioni che sarebbe opportuno avere in italiano. A vista la realizzazione dei filtri appare curata. La cella, in alluminio, reca all’interno uno strato di feltro che dovrebbe consentire un attrito sufficiente tra il tubo del telescopio e il filtro stesso. Nella scatola si trova anche un secondo feltro da aggiungere al precedente nel caso occorresse una presa migliore. Questo è importante per i filtri in vetro poiché a parità di apertura pesano più dei filtri in mylar e potrebbero sfilarsi dal tubo e cadere. Ad esempio, il filtro in vetro per ETX pesa circa 120 g contro i 35 g dell’analogo filtro in mylar.  Nel caso si rendesse necessaria la pulizia, questa si può fare dapprima con un getto d’aria per rimuovere la polvere e poi con alcool isopropilico o con un altro detergente adatto per vetri ottici. I filtri Caelum sono confezionati esternamente come i Thousand Oaks, ma l’involucro in plastica è sostituito da un grande foglio di carta bianca finissima. Le istruzioni sono in italiano e riportano in grande evidenza le raccomandazioni più importanti per evitare danni alla vista: prima, durante e dopo l’utilizzo del filtro. L’importatore-produttore mette giustamente in guardia sulla delicatezza della pellicola polimerica, che non deve assolutamente essere sottoposta
a colpi o deformazioni, dal momento che ne verrebbe compromessa la qualità ottica. È possibile pulire il filtro dalla polvere con un soffio d’aria ma non possono essere rimosse macchie di grasso, impronte digitali, ecc. Questo è senza dubbio il principale svantaggio del mylar rispetto al vetro. Anche i filtri Caelum sono assemblati bene, in una cella d’alluminio con i consueti strati di feltro per la tenuta. Sono più leggeri dei filtri in vetro, un vantaggio importante nelle grandi aperture per evitare di dover ribilanciare il telescopio o di
far cadere accidentalmente il filtro spostando il tubo. Lo svantaggio sta nella possibilità che, come ci è capitato, possano volarsene via a causa di un’improvvisa raffica di vento se non sono ben fissati al tubo. Sia la Thousand Oaks che l’italiana Caelum commercializzano filtri solari per uso esclusivamente fotografico, caratterizzati da una maggiore luminosità. Abbiamo avuto occasione di provare solo quelli della Caelum, di cui riferiremo più avanti.

 

TEST COMPARATIVO

Nel seguito descriviamo il test effettuato sui cinque filtri a disposizione (quattro visuali più un filtro in mylar fotografico). Dopo aver accertato l’assenza di difetti nel rivestimento metallico dei filtri abbiamo esaminato l’immagine del Sole con diversi ingrandimenti utilizzando, come si diceva più sopra, un Celestron OTC-8 su Super Polaris e un apocromatico Pentax SDHF 75/500 installato su una Kenko NES. La luminosità dei filtri in vetro e in mylar è paragonabile, ma diversa secondo la misura di filtro impiegata: nel filtro in mylar piccolo l’immagine era appena più scura rispetto al filtro in vetro, mentre all’oculare dello Schmidt-Cassegrain avveniva l’opposto, un fenomeno imputabile a piccole variazioni nello spessore dei rivestimenti. Entrambi i filtri davano luogo a un po’ di luce diffusa, leggera coi filtri in mylar, praticamente trascurabile coi filtri in vetro. Nel suo foglio d’istruzioni la Thousand Oaks avverte che possono formarsi immagini fantasma, nel qual caso occorre inclinare il vetro quel tanto che basta a farle scomparire. Nei filtri testati non abbiamo comunque riscontrato questo problema.

 

DEFINIZIONE E CONTRASTO

Questa è stata la parte più interessante del test, come lo sarà certamente anche per il lettore. A bassissimo ingrandimento (20-30×) i filtri davano immagini ben paragonabili tra loro, coi gruppi di macchie più cospicui che punteggiavano la superficie del disco solare. Quando si arrivava sui 40-60× cominciavano a vedersi delle differenze. Nei filtri in vetro l’immagine era generalmente meno definita rispetto a quelli in mylar, il che si spiega considerando il diverso spessore. Nella pratica si è notato che coi filtri in mylar la visione della granulazione solare, delle facole e dei pori era facile e immediata, mentre nei filtri in vetro questi particolari si scorgevano solo aguzzando la vista e nei momenti maggiore tranquillità atmosferica. La presenza del vetro provocava anche una certa sensibilità alle condizioni di seeing e rendeva più critica la fuocheggiatura, che diventava un po’ delicata soprattutto nel piccolo rifrattore. Anche l’ingrandimento aveva la sua importanza: mentre il mylar reggeva bene i 100-120×, a questo potere l’immagine dei Thousand Oaks perdeva un po’ di definizione e diventava ancora più difficoltosa la fuocheggiatura. Nonostante ciò, l’immagine arancione dei Thousand Oaks era molto dettagliata e piacevole: la differenza col mylar si vedeva solo quando si andavano a cercare i particolari più fini, o, come si è detto, agli ingrandimenti più alti (che però si possono usare solo di rado, a causa del seeing diurno).

 

VANTAGGI E SVANTAGGI

A fronte della migliore definizione d’immagine rispetto ai filtri in vetro, i filtri in mylar presentano due notevoli inconvenienti. Il primo è quello, già accennato, di non poter essere puliti (occhio, quindi, a non lasciare impronte digitali) e di poter essere soggetti a graffiature e deformazioni, ad esempio a seguito di colpi accidentali. Vanno quindi conservati e maneggiati con cura. Al momento dell’acquisto conviene anche verificare in controluce che non vi siano microlacune nell’alluminatura in grado di far passare la luce del Sole. Nel caso, occorre annerire i punti non alluminati con un pennarello nero molto fine, come raccomanda anche la Thousand Oaks per i suoi filtri in vetro. Il secondo inconveniente è costituito dal fatto che lavorano nel blu-azzurro, dove gli obiettivi dei rifrattori acromatici e semiapocromatici sono meno corretti e dove più sensibile è l’aberrazione cromatica residua. Il risultato è un leggero abbassamento del contrasto e un aumento della luce diffusa, come abbiamo verificato usando un acromatico 102/900 e un semiapo Tele Vue Pronto. Con questi strumenti è quindi d’obbligo interporre un filtro per oculari gialloverde (molto adatto è il W11) che aiuta a rendere più nitidi i particolari e il bordo del disco (ma non sempre il risultato finale sarà soddisfacente, dipendendo dall’entità del cromatismo residuo, che è propria dell’obiettivo). Con i filtri in vetro questi inconvenienti non sussistono. Un’indagine condotta presso alcuni osservatori abituali del Sole ha anche evidenziato che l’immagine azzurrina del mylar non sempre è gradita e molti sentono il bisogno di “correggerla” con filtri gialli o arancioni anche se gli strumenti impiegati non sono affetti da aberrazione cromatica. A favore dei filtri in mylar, invece, vi sono un’ottima definizione d’immagine, che si presta bene a fotografie dettagliate e ad osservazioni ad alto ingrandimento, e soprattutto l’economicità, dal momento che a parità d’apertura costano meno della metà rispetto a quelli in vetro. I Caelum, però, sono prodotti in Europa mentre i Thousand Oaks devono essere importati dagli USA e questo è un fattore che ha la sua importanza nella composizione del prezzo finale. I Thousand Oaks hanno come principale inconveniente una risoluzione leggermente minore rispetto a quelli in mylar, che ne preclude l’impiego per l’imaging ad alta risoluzione, sia su pellicola che con i CCD. Questa non è certo una novità: se si vogliono riprendere dettagli finissimi della fotosfera e produrre quelle immagini che hanno reso celebri astrofotografi come Dragesco,
Josset, Lille e altri, ci vogliono dei filtri in vetro lavorati con tolleranze strette e di conseguenza molto costosi, ma che hanno un senso solo se si dispone di una strumentazione dedicata allo studio del Sole e di un sito con un seeing diurno inferiore al secondo d’arco. Nella maggior parte dei casi il dilettante si limita ad osservare e fotografare l’aspetto generale del Sole e ad effettuare il conteggio delle macchie, cose per le quali i Thousand Oaks sono senza dubbio più che sufficienti. Un altro problema di questi filtri, come si diceva, è il peso, più che triplo rispetto al mylar, per cui la maggior parte dei telescopi dovrà essere leggermente ribilanciata. Per evitare cadute del filtro con esiti disastrosi è necessario che la presa del filtro sul tubo sia tanto solida da non farlo muovere ma non tanto stretta da provocare deformazioni nella sottile lastra di vetro, con ripercussioni sulla qualità dell’immagine. Sull’altro piatto della bilancia possiamo mettere una maggior integrità e durata rispetto al mylar, visto che il vetro può essere pulito senza grossi problemi e sopporta piccoli urti senza rovinarsi. Lo strato riflettente in lega garantisce una perfetta inossidabilità e quindi una grande resistenza agli agenti atmosferici e all’uso prolungato. Il produttore, infatti, garantisce i filtri per sei anni, mentre i filtri Caelum sono coperti da garanzia solo per un anno dall’acquisto. L’immagine del Sole è più gradevole rispetto al mylar, essendo di colore arancione, e non dà problemi di sorta coi rifrattori acromatici, nei quali sopprimono interamente lo spettro secondario.

 

FILTRO FOTOGRAFICO

Il filtro fotografico Caelum, molto più chiaro della versione visuale, ha lo scopo di consentire l’utilizzo di tempi di esposizione brevissimi (dell’ordine di 1/2000 di secondo) durante la ripresa del Sole con la fotografia digitale o su pellicola. In questo modo si possono sfruttare quei fugaci istanti in cui l’immagine è perfettamente ferma. La definizione d’immagine è la stessa del filtro visuale, ma quello fotografico non deve mai essere usato per osservazioni dirette, perché è troppo luminoso e provoca un notevole fastidio. Sensibile la quantità di luce diffusa rispetto alla versione visuale. Come pellicole è bene sceglierne da non più di 50 ISO altrimenti si rischia di ottenere (soprattutto con aperture dai 15 cm in su) immagini fortemente sovraesposte. Pellicole più sensibili richiedono un ulteriore filtraggio, che però potrebbe avere effetti deleteri sulla qualità dell’immagine. Anche la Thousand Oaks produce filtri solari fotografici (tipo 3 plus) ma non ci risulta siano importati in Italia.

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CONCLUSIONI

Per osservazioni visuali molto frequenti, il disegno e la fotografia dell’aspetto generale del disco solare, risultano particolarmente indicati i Thousand Oaks dal momento che offrono maggiori garanzie di integrità e di durata rispetto al mylar e si possono impiegare proficuamente anche con strumenti affetti da cromatismo residuo, mentre per l’osservazione e la fotografia ad alta risoluzione della struttura delle macchie, dei filamenti e della granulazione solare consigliamo i Caelum in versione visuale o fotografica per la grande definizione d’immagine che li caratterizza.

Ringraziamo l’amico Emilio Colombo, dell’Associazione Astronomica Milanese, per la preziosa collaborazione prestata durante i test, nonché le ditte Miotti e Caelum per averci fornito alcuni dei filtri testati. In un futuro articolo prenderemo in considerazione quegli accessori per l’osservazione del Sole riservati a chi fa astronomia solare con telescopi di prestazioni elevate. In quell’occasione descriveremo e proveremo i prismi di Herschel della Baader Planetarium, forse i migliori del mondo, i filtri in vetro per alta risoluzione, i filtri per l’osservazione delle protuberanze e altro ancora.

Lo Staff Tecnico di Coelum declina ogni responsabilità per danni derivanti dall’uso improprio dei filtri descritti nel presente articolo.

 

Addendum (Novembre 2010)

L’articolo originale del 1999 comprendeva anche un paragrafo relativo alle caratteristiche dei filtri per oculari, paragrafo che qui è stato deliberatamente omesso. All’epoca, infatti, questi filtri, purché usati solo con telescopi rifrattori e con tutte le cautele del caso, potevano ancora avere un senso, in quanto le pellicole Baader Planetarium (evolutesi poi nel celebre Astrosolar, che non è un mylar) si erano appena affacciate sul mercato, e i filtri in vetro per obiettivi, oltre a non soddisfare gli osservatori più esigenti, avevano un costo esorbitante (vedi la tabella con le caratteristiche tecniche). Il modo più semplice, efficace ed economico per osservare il Sole, proiezione a parte, era dunque costituito da quei vetrini scuri che venivano dati di serie con molti telescopi commerciali.
Oggi, invece, il costo irrisorio di un foglio di Astrosolar, la facilità con cui può essere adattato a qualunque telescopio, la sua intrinseca sicurezza e le sue eccellenti prestazioni nell’osservazione solare ad alta risoluzione, hanno giustamente relegato i filtri per oculari nell’ambito di quelle cose utili solo agli amanti del rischio. Sono infatti pericolosi, non danno garanzie di sicurezza nemmeno se usati ad alti rapporti focali (il vetro potrebbe contenere delle microfessure) e pertanto ne sconsigliamo l’impiego.

(Raffaello Braga)

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