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PointSpread: Entwicklungswerkzeug für Astro-Optik

 

PointSpread ist ein leicht zu bedienendes Werkzeug für die Entwicklung von Astro-Optik, das von mir ursprünglich für eigene Anwendungen im Amateurbereich entwickelt wurde. Seit 1976, mit der Verfügbarkeit der ersten programmierbaren Taschenrechner, habe ich das Programm auf mehreren Plattformen mit verschiedenen Programmiersprachen aus den ersten Anfängen ständig weiterentwickelt. Über diesen Zeitraum floss die Erfahrung über möglichst komfortable und effiziente Entwicklung und Bedienung in die Gestaltung des Programms ein. Die aktuelle Programmversion PointSpread 7.8 wurde mit Delphi 2005 weiterentwickelt und läuft unter Windows. Mit Hilfe von PointSpread gelang mir die Entwicklung der neuen Optiksysteme Medial Triplet (1998) und Medial Cassegrain (1999) mit zahlreichen abgeleiteten Varianten, von denen einige auf den folgenden Seiten vorgestellt werden. Eine Beschreibung dieser neuen Optiksysteme ist auch in der zweiten Auflage von 'Reflecting Telescope Optics I' von Raymond N. Wilson zu finden. Ray Wilson war u.a. maßgeblich an der Entwicklung der Aktiven Optik und des NTT (New Technology Telescope) der ESO beteiligt.
 

Grundlage des Programms sind von mir selbst entwickelte Algorithmen wie z.B. schnelle Durchrechnung windschiefer Strahlen, zuverlässige Berechnung der Pointspread-Funktion und der MTF (keine FFT) sowie viele Hilfsalgorithmen, z.B. die Bestimmung der Zentrumskoordinaten des bestangepassten homozentrischen Strahlenbüschels zu einem gegebenen aberrationsbehafteten Strahlenbüschel (least squares). Damit gelang mir auch die Bestimmung von LA und OSC für TCT-Systeme. Die Berechnung der Seidelsummen habe ich dem Buch 'Grundlagen der praktischen Optik' von M. Berek entnommen, aus dem auch viele für die Theorieentwicklung der neuen Mediale wichtigen Anregungen zur Tripletsynthese stammen. Einige Erweiterungen , z.B. die Berechnung der Koeffizienten 6.Ordung für die Schmidtplattenkurve und einige Anregungen zum Predesign stammen aus 'Telescope Optics' von Rutten und van Venrooij. Anregungen zur Berechnung von Schiefspiegler- und Yolo-Systemen habe ich aus 'Reflecting Telescope Optics I' von R.N.Wilson bekommen.
 

Die Bildschirmkopie oben zeigt den Einsatz von PointSpread bei der Analyse eines Nagler-Okulars nach Daten aus 'Telescope Optics' von Rutten und van Venrooij.
 

Hier eine Zusammenstellung der wichtigsten Eigenschaften von PointSpread 7.8: 
 

*   komfortables Predesign dritter Ordnung für alle gängigen Astro-Optik-Systeme wie Cassegrain, Achromat, Schmidt, (Maksutov, SC, MC, Fraunhofer, Schiefspiegler, Yolo, Houghton, Apochromat) sowie für die neuen Systeme Medial Triplet und Medial Cassegrain. Zusätzlich zu den üblichen Geometrieparametern können Zielwerte für die Fehler dritter Ordnung und die Farbfehler so vorgegeben werden, dass das Predesign bereits ein fast fertig korrigiertes System ergibt.
 

*   Entspanntes Arbeiten bei der Analyse oder Optimierung des aktuellen Systems: Im Hauptfenster der Anwendung  ist die Systemlayoutgrafik zusammen mit Anzeigen der Seidelsummen und Farbfehlerparameter sowie mit Grafikausgaben für LA und OSC sichtbar. (Eine Besonderheit von PointSpread: die Berechnung von LA und OSC ist auch für TCT-Systeme möglich). Als weitere Besonderheit können in der Systemlayout-Grafik die wichtigsten Systemelemente per Mausklick selektiert und verändert werden, wobei alle Änderungen der Fehlergrößen online aktualisiert werden. Dadurch erhält man ein sehr intuitives Verständnis der Systemeigenschaften.  Die im Layout selektier- und änderbaren Elemente sind: Flächenradius, Abstand, Kippwinkel für Einzelflächen (und Linsen bzw. Kittgruppen) sowie Linsen- bzw. Kittgruppendurchbiegung.
 

*   Einfache und übersichtliche Eingabe  bzw. Änderung  dieser und aller  weiteren Parameter  im Systemdatenfenster (soweit die Daten nicht durch Predesign erzeugt, oder aus einer Datei geladen wurden). Hier können auch Flächen eingefügt  und gelöscht, sowie Flächenattribute wie Reflektion, Refraktion, Blende, Obstruktion, gesetzt  werden. Besonders einfach ist die Eingabe der Glasdaten: per Mausklick kann die Glasdatenbank aufgerufen und ein Glas ausgewählt werden. Da in der Datenbank für jedes Glas Dispersionskoeffizienten gespeichert sind, werden die Brechungsindizes für jede beliebige Wellenlänge berechnet. Die zu den aktuellen drei Analysewellenlängen gehörenden Brechungsindizes werden eingetragen und bei jeder Änderung der Wellenlängen automatisch aktualisiert.
 

*   Der aktuelle Korrektionszustand kann mit nur einem weiteren Mausklick im Spotdiagramm oder als Helligkeitsverteilung  der Pointspreadfunction (PSF) und als MTF-Kurve dargestellt werden. Im Spotdiagramm werden gleichzeitig die Durchstoßpunkte der Strahlen dreier vorgewählter Wellenlängen für die Abbildung des Achspunktes und eines Feldpunktes für eine vorgewählte Objektweite dargestellt. Intern werden noch zwei weitere Feldpunkte für die Hauptwellenlänge berechnet. Für diese Punkte wird automatisch die beste Fokuslage berechnet (least squares) und daraus die aktuelle Bildwölbung und eine eventuelle Bildneigung (bei TCT-Systemen) ermittelt. Der Anwender muss außer der Vorwahl der Objektweite und der Strahldichte (Darstellungsqualität) nur einen Mausklick auf den gewünschten Objektort im Objektfenster ausführen, um sofort die Spotdiagramme für Achs- und Feldpunkt in bester Fokuslage zu erhalten. Für die Darstellung im PSF-Fenster wird nur der angewählte Feldpunkt (natürlich kann auch der Achspunkt angewählt werden) verwendet,  als Vergleich wird hier zusätzlich eine ideale Punktabbildung dargestellt.
 

*  Als Bildfläche für Spotdiagramm und PSF kann wahlweise eine achsensenkrechte Ebene, eine bestangepasste geneigte Ebene (z.B. bei TCT-Systemen für photographische Zwecke), oder eine allgemeine bestangepasste Fläche (bei Bildwölbung mit/ohne Neigung) bestimmt werden. Diese Bildfläche kann für die Darstellung im Spotdiagramm mittels Mausklick oder Pfeiltasten intra- und extrafokal verschoben werden. Da der Strahlenverlauf im Bildraum nach der Neuberechnung bei geänderten Systemparametern bis zur nächsten Änderung gespeichert wird, kann die Darstellung der Spotdiagramme bei geänderter Fokuslage sehr schnell aktualisiert werden. Auf diese Weise hat man einen sehr viel anschaulicheren 'through-focus' Eindruck als bei der getrennten Betrachtung von Einzelbildern einer through-focus-Serie.  Mit den Pfeiltasten 'oben/unten' kann zusätzlich die PSF-Darstellung intra- und extrafokal verschoben werden, so dass man auch eine wirklich realistische through-focus-Sequenz erhalten kann. Wegen der zeitaufwendigen PSF-Berechnung ist eine schnelle Serie nur bei geringer Auflösung möglich, der Strehlwert (Definitionshelligkeit) wird aber auch hier ausreichend genau berechnet. So kann sehr einfach die wellenoptisch optimale Fokuslage und der maximale Strehlwert gefunden werden. Dieses Vorgehen wird bei hoher Auflösung (lange Rechenzeit) auch dadurch unterstützt, dass aus der Differenz zwischen least square Fokus und Gaußfokus ein Näherungswert für die wellenoptisch beste Fokuslage (für Öffnungsfehler 3.Ordnung)errechnet und angezeigt wird.
 

*   Im PSF-Fenster kann der Modulationsgitterwinkel per mouse drag&drop mit sofortiger Aktualisierung der MTF verändert werden. In der MTF-Grafik wird die Ortsfrequenz markiert, die der in der PSF dargestellten Gitterteilung entspricht. Die Gitterteilung kann ebenfalls per mouse drag&drop verändert werden und dient gleichzeitig als Messwerkzeug in der PSF-Grafik.
 

*   Eine Glasdatenbank mit Dispersionsformelkoeffizienten kann einfach benutzt und erweitert werden, so dass die Optiksysteme bei beliebigen Wellenlängen berechnet werden können.
 

Weitere Eigenschaften von PointSpread in Kurzform:
 

*   Umfassende Optionen zur Anpassung der Programmparameter an die aktuelle Aufgabe.

*    Schmidtflächen, asphärische Flächen, geneigte Flächen und torische Flächen können berechnet werden.

*   Export und Ausdruck der wichtigsten grafischen Ergebnisse in verschiedenen Formaten .

*   (Effiziente Unterstützung zur Auslegung von Baffle-Systemen.)

*   (Schnelle und übersichtliche Toleranzanalyse.)

*   (Berechnung von teleskopischen Systemen, z.B. zur Bewertung von Okular/Objektiv-Kombinationen.)

 

Was PointSpread noch nicht kann, was aber vielleicht sinnvoll ist:

 

--  Konvertierung von Fremddaten, z.B. Zemax, OSLO, Modas,  ins PointSpread Format.

 

Was PointSpread noch nicht kann, was ich aber bis jetzt nicht vermisst habe:

 

--  Automatische Optimierung z.B. nach Zernike-Polynomen.

--  Konvertierung von Systemdaten in andere Formate, z.B. Zemax, OSLO, Modas

 

Zum Abschluss der Beschreibung noch ein Wort zum allgemeinen Zustand von PointSpread: Da die Software über einen Zeitraum von über 25 Jahren in vielen  Schritten zwischen unterschiedlichen Plattformen portiert wurde, existieren uralte Software-Fragmente einträchtig neben moderneren Bedienelementen. Das uneinheitliche Erscheinungsbild stört mich nicht, solange das komfortable Arbeiten mit dem Programm nicht beeinträchtigt wird. Es ist aber auch klar, dass der Programm-Code im Laufe der Zeit nicht unbedingt an Strukturklarheit gewinnt, so dass die Erkennung von Bugs bei Programmänderungen erschwert ist. Das ließe sich nur durch eine von Grund auf neu konzipierte Programmstruktur mit entsprechendem Aufwand verbessern. Ich habe mich aber nach allen Programmänderungen bemüht, während der Arbeit mit dem Programm mögliche Fehler aufzuspüren und zu beseitigen, so dass grobe Fehler wenig wahrscheinlich sind.

In der aktuellen Version 7.8 unter Delphi 2005 habe ich weitere bugs beseitigt, die Anwender gefunden hatten. Vielen Dank für die Rückmeldungen. Weiterhin habe ich die Beschränkung der Flächenanzahl auf 10 Flächen aufgehoben, es können jetzt Systeme mit bis zu 100 Flächen bearbeitet werden. Die Beschränkung der Glasdatenbank auf einige gebräuchliche Gläser ist ebenfalls aufgehoben, die Glasdatenbank stellt jetzt alle aktuellen Gläser von Schott zur Verfügung, außerdem alle Gläser von Ohara und Hoya, für die es keine Entsprechungen bei Schott gibt. Außerdem habe ich die bisher inaktiv geschalteten  Funktionen für die Synthese von Medial Triplet und Medial Cassegrain Systemen freigeschaltet. Wegen der Diskussion über die Riccardi-Honders-Systeme in englischsprachigen Foren habe ich auch eine englische Programmversion erstellt. Die neuen Versionen sind als kostenloser  Download bereitgestellt. Die Begründung für diese Funktionserweiterungen der freien Programmversion können Sie in der Kurzanleitung zum Programm nachlesen. Für weitere Rückmeldungen bin ich dankbar.
 

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