Was hat es mit der Anordnung der drei Gitter in einer Bahtinov-Maske auf sich, die auf diese Weise ihren Fokus ausmacht?

Die Bewegung der Beugungsspitzen ähnelt dem Phasendetektions-Autofokus, der seit Jahrzehnten in SLR-Kameras verwendet wird. Vor den Tagen des Autofokus verfügten viele Spiegelreflexkameras über einen Sucher mit geteiltem Bild, der ebenfalls das gleiche Prinzip verwendete ¹ .

Um die Dinge einfach zu halten, betrachten wir eine Maske mit nur zwei Schlitzen am äußersten Rand der Öffnung.

Betrachten wir nun, was das bewirkt, während wir uns konzentrieren. Ich werde die Dinge in Bezug auf einen Refraktor zeichnen, aber die Verwendung eines Reflektors ändert die Dinge nicht wirklich. Hier ist also ein vereinfachtes (und drastisch nicht maßstabsgetreues) Diagramm von Licht, das von einem Stern kommt, durch die beiden Schlitze darüber geht und auf einer Ebene hinter der Linse fokussiert wird:

Wir haben also einen Stern auf der linken Seite, zwei Lichtstrahlen, die den Stern verlassen und zu den beiden Schlitzen wandern, durch die Schlitze gehen, von der Linse gebrochen werden und auf der Ebene fokussiert werden. Das Bild ist scharf, wenn die beiden Lichtstrahlen genau an der Oberfläche dieser Ebene wieder zusammentreffen. Was wir also sehen, wenn wir uns das ansehen, sollte im Grunde eine einzelne Linie sein. Wir haben wirklich zwei Beugungsspitzen, eine von jedem Schlitz, aber da wir sie perfekt fokussiert haben, werden sie perfekt aufeinander ausgerichtet sein. In vereinfachter (und handgezeichneter) Form sehen wir also ein Bild wie dieses:

Zwei Beugungsspitzen, die aber perfekt aufeinander ausgerichtet sind. Ich habe eine Grenze zwischen den beiden gezogen, aber bei echter Betrachtung wird es keine offensichtliche Grenze am Rand jeder Beugungsspitze geben – wir sehen im Grunde nur eine einzelne Linie.

Betrachten wir also, was passiert, wenn wir diese Ebene bewegen, sodass das Bild unscharf wird. Die Lichtstrahlen werden weiterhin genau gleich stark gebrochen, so dass wir am Ende ungefähr so ​​​​auskommen:

In diesem Fall können wir sehen, dass die beiden nicht am selben Punkt auf die Fokusebene treffen, also werden wir zwei falsch ausgerichtete Beugungsspitzen sehen:

Das erklärt, wie sich (einige) der Spitzen zu bewegen scheinen, wenn wir uns konzentrieren. Das lässt eine weitere offensichtliche Frage offen: Wie bekommen wir die anderen Spikes, die sich nicht bewegen, wenn wir uns konzentrieren? Das ist eigentlich ziemlich einfach. Wenn Sie auf das erste Bild oben zurückblicken, gibt es eine entscheidende Tatsache zu beachten. Die Schlitze sind (zumindest annähernd) tangential zur Öffnung.

Um die X-förmigen Beugungsspitzen zu bilden, verwendet die Bahtinov-Maske stattdessen Schlitze, die radial sind. Technisch gesehen bewegen sich diese immer noch (ein wenig), aber die Beugungsspitze bewegt sich entlang ihrer Länge und nicht seitwärts, sodass sie selbst im besten Fall viel weniger sichtbar ist. Es gibt auch wenig oder nichts am Ende jeder Beugungsspitze, sodass Sie nicht viel vergleichen müssen, um die Bewegung zu sehen.

Darüber hinaus sind es alle Verbesserungen der „Benutzeroberfläche“, um die Verwendung zu vereinfachen: Mehr Schlitze, die sorgfältig aufeinander ausgerichtet sind, projizieren Beugungsspitzen übereinander, sodass Sie etwas erhalten, das wie eine einzelne Beugungsspitze aussieht, die viel heller ist. Die X-Form führt Ihren Blick zu der Stelle, an der Sie schauen sollten, um zu sehen, ob die Spikes richtig ausgerichtet sind, und so weiter.

Verstehen Sie mich jetzt nicht falsch: Diese sind wichtig und definitiv Teil des Genies des Designs - aber das Grundprinzip, wie / warum sich die Stacheln relativ zueinander zu bewegen scheinen, bleibt dasselbe (und warum sich einige bewegen, andere jedoch scheinen nicht).

Diagramm von der Wikipedia-Seite :

Die verschiedenen Abschnitte der Maske erzeugen unterschiedliche Beugungsspitzen, indem sie die Schlitze verwenden, um Interferenzen basierend auf dem Huygens-Fresnel-Prinzip zu erzeugen . Die unterschiedlichen Abschnitte erzeugen aufgrund ihrer radialen Ausrichtung die fehlausgerichteten Spikes.

Wenn das Instrument unscharf ist (entweder vor oder hinter dem Fokuspunkt), sind die Mittelpunkte der Interferenzmuster nicht ausgerichtet: Wenn die Primärlinse oder der Spiegel näher an der Maske als der Fokuspunkt ist, ist das 'X' entweder an der links oder rechts vom '|' (abhängig von der Ausrichtung und dem durch den Rest des optischen Zugs verursachten Umklappen), und wenn die Primärseite weiter von der Maske entfernt ist als der Fokuspunkt, ist das Gegenteil der Fall.

Um also die Frage zu beantworten: "Warum bewegen sich die Stacheln?" - Wenn sich der Abstand vom Primärelement zur Maske ändert, ändert sich der Ort, an dem sich die Strahlen von den Beugungsspitzen schneiden, entsprechend.

Theoretisch könnte man einen ähnlichen Effekt mit nur zwei Schlitzabschnitten mit unterschiedlicher radialer Ausrichtung erzielen, aber dies würde es schwieriger machen, den ausgerichteten Punkt genau zu finden, weil es nur zwei Spitzen erzeugen würde.

Das Arbeitsprinzip ist die Verwendung von Beugungsspitzen . Ein Hindernis im Lichtweg, wie die Spinnenfahnen eines Spiegelteleskops, erzeugt eine Beugungsspitze. Die Montage eines Lineals vor dem Teleskop bewirkt dasselbe (siehe Link unten). Mir ist kein Artikel bekannt, der die genaue Physik erklärt, aber das Bewegen des Fokus bewegt die Spitze über die Lichtquelle, die sie erzeugt . Das ist also das Prinzip.

Aus diesem Blogbeitrag http://www.geoastro.co.uk/bahtinov.htm

Die Bahtinov-Maske besteht aus drei Balkensätzen, A, B und C. Jeder Balkensatz erzeugt eine Beugungsspitze.

Und

Das scheinbar komplizierte Muster der Maske kann nun auf das Äquivalent eines einfachen 3-Flügel-Trägers reduziert werden.

gefolgt von

Die abgewinkelten Balken (B und C) erzeugen die abgewinkelten Spitzen und bewegen sich nach links, wenn der Fokus nach innen gerichtet ist.

in Kombination mit

Die vertikalen Balken (A) erzeugen die zentrale Spitze, die sich nach rechts bewegt.

das führt zu

Der perfekte Fokus ist dann leicht zu erkennen, da die zentrale Spitze die beiden abgewinkelten Spitzen halbieren sollte. Das menschliche Auge kann sehr gut beurteilen, wann ein Winkel genau halbiert ist.

Ich möchte den Erfinder ehren, indem ich hier auf seinen russischen Forumsbeitrag verlinke. Und eine weitere beugungsbasierte Methode , um Fokus zu erreichen. Weitere Informationen zu beugungsbasierten Fokusmethoden wären die Scheiner-Scheibe, die Hartmann-Maske und die Carey-Maske. Auch der Physik-Stack-Austausch hat Fragen zu Bahtinov- und Hartman-Masken.