Oculares - Parsec

Os raios de luz provenientes do objeto no infinito, chegam a objetiva do telescópio, praticamente paralenos. O que passa pelo centro da objetiva, em seu eixo óptico, não sofrem refração e seguem seu caminho normalmente. Os raios que passam em qualquer outro ponto da objetiva, sofrem refração e são desviados para o foco objeto (2) formando a imagem do objeto (3) no plano focal. Esta imagem servirá como objeto para a ocular. Os raios luminosos que saem da imagem objeto (3) e passam pelo centro óptico da ocular não são refratados e seguem seu caminho normalmente. Qualquer outro raio luminoso que atinja a objetiva fora deste ponto, será refratado e desviado para o foco da ocular (4). Pode-se perceber que os rais emergentes da ocular (no esquema acima, do lado direito, em verde) nunca se encontrarão e assim, para acharmos o plano flocal onde a imagem se formará, prolongamois estes raios para o lado esquerdo (amarelo tracejado). Forma-se uma imagem virtual, invertida e maior do objeto.

Por questões de clareza, o diagrama acima omite alguns itens e foi simplificado para melhor compreenção.. Por exemplo, tanto a objetiva como a ocular possuem dois pontos focais. Tomando por exemplo a ocular, se o ponto de foco (4) está localizado a 10 mm de distância do lado direito, outro ponto de foco estará a 10 mm de distância do lado esquerdo. O mesmo princípio se aplica a objetiva.

Assim, basicamente, toda ocular não passa de uma lupa de aumento para examinarmos um objeto dse dimensões reduzidas. Toda objetiva, seja uma lente simples ou um dubleto ou tripleto ou mesmo quadripleto; ou até mesmo um espelho, formará uma imagem objeto ampliada do objeto original. Naturalmente, uma imagem estelar pontual continuará sendo pontual na imagem objeto (3).

Assim como existes muitos modelos e variantes de telescópios, ocorre o mesmo com oculares. Toda ocular é formada por uma lente de campo (voltada para a imagem objeto (3) e uma lente de olho (voltada para o olho do observador). Essas lentes podem ser simples ou em grupos. Cada lente simples que pode ou não pertencer à um grupo é chamada de "elemento óptico". Assim, podemos ter 4 elementos ópticos (4 lentes) em dois grupos de dois ou em um grupo de 3 e uma lente de olho, e assim por diante.

Imagem esquemática de uma ocular ortoscópica Abbe. A lente de olho é formada por uma lente plano-convexa. A lente de campo é formada por um grupo de três elementos ópticos.

Modelos de oculares mostrando seu arranjo em grupos e os elementos que as compoem.

Cada lente pode ter duas superfícies onde a luz pode, além de ser refratada, ser refletida. Esse efeito gera fenômenos como a perda de luminosidade e imagens fantasmas. Afim de eliminar esse efeito, as superfícies das lentes são revestidas com pinturas especiais (coatings) que são depositadas eletrostaticament por evaporação à alto vácuo de materiais químicos ou misturas destes em camadas nanométricas em função do comprimento de onda original do projeto para o qual a ocular foi desenhada.

A perda de luz pelos efeitos de refração/reflexão em uma ocular que possua seus elementos ópticos sem nenhum revestimento é, aproximadamente:

Para uma ocular que apresente seus elementos ópticos revestidos, a perda de luz poderá variar de acordo com o número de camadas de revestimento aplicadas e com o tipo de revestimento. Tipicamente, em função do número de camadas, temos:

A título de exemplo, as oculares Hyperion da Baader, que possuem 8 elementos ópticos em um arranjo de 5 grupos, apresentam os seguintes valores relativos à perda de luz:

Quanto mais elementos ópticos em uma ocular, maior a perda de luz por reflexão e refração. Esse processo reduz a luminosidade da imagem e o contraste. Mais elementos ópticos exige maior qualidade do vidro óptico utilizado e revestimentos mais complexos e sofisticados.

Comparação de diferentes tipos de revestimento. Crédito: Roland Christen.

Os revestimentos empregados na construção dos elementos ópticos de telescópios e oculares são projetos de acordo com o uso mais corriqueiro do equipamento. Em geral são centralizados para um ótimo de desempenho na faixa de 500 a 550 nm. O Phanton Group, um tipo de revestimento utilizado pela Baader em suas oculares, apresenta os seguintes dados:

Coated - significa que as lentes receberam ao menos uma camada de revestimento anti-reflexo, mas pode ser que nem todas as superfícies tenham sido revestidas.

Fully Coated - todas as superfícies receberam uma camada de revestimento anti-reflexo.

Multi Coated - multiplas camadas de revestimento anti-reflexo foram depositadas na superfície das lentes, mas nem todas as superfícies podem ter sido revestidas.

Fully Multi Coated - multiplas camadas de revestimento anti-reflexo foram depositadas em todas as superfícies ópticas da lente.

A revestimento mais comum é a base de fluoreto de magnésio, que dá uma cor violeta quando a lente é observada à luz do dia. Os revestimentos de multiplas camadas, são revelados por uma cor esverdeada da lente. O fato de uma lente ser Fully Multi Coated não é garantia de uma alta qualidade, pois outros fatores estão associados, mas revelam um melhor cuidado na produ;cão da ocular e das lentes.

Tabela de alguns compostos utilizados em revestimentos ópticos. Adaptado de: Handbook of Optics, Vol I, Part 11, "Optical Properties of Films and Coatings", II Edition, 1995.

As propriedades dos revestimentos depenmde dos materiais utilizados em sua construção. Por exemplo, revestimentos à base de óxidos, em geral, são mais duros quando comparados com revestimentos à base de fluoretos, sulfetos ou semicondutores. Assim, os revestimentos que utilizam óxidos são preferidos para proteção de superfícies expostas ao meio ambiente externo. Um revestimento a base de óxido de silício é aplicado sobre os espelhos de telescópios para proteger a fina camada de alumínio eletrodepositada da oxidação pelo contato com o ar atmosférico.

O mesmo ocorre quando da aplicação de fluoreto de magnésio sobre as superfícies ópticas das oculares, onde a última camada aplicada é sempre de óxido de sílicio, para proteção das camadas inferiores. O revestimento utilizado na linha Celestron EDGE HD é a base de dióxido de Háfnio, juntamente com outros materiais; entretanto, a última camada é de óxido de silício.

Como pode ser observado, o revestimento é uma técnica versátil e aplicada em situações diversas, seja apenas para proteção da superfície óptica ou para modificação de alguma propriedade física.

Estas oculares tornaram-se padrão com os telescópios atuais. Em geral, todo telescópio da Celestron ou SkyWatcher vem acompanhado ao menos de uma ocular Plossl de 10 ou 25 mm de distância focal. São oculares compostas com 4 elementos em dois grupos de dois elementos. Apresentam um campo aparente de 50 a 55 graus (AFOV - Aparent Field of Vision) e um descanso de olho (eye relief), isto é, a posição em que você precisa colocar seu olho a partir da lente de olho para que possa observar todo o campo da ocular, em torno de 70 a 80 % da distância focam da mesma. Desenhada em 1860 por Georg Simon Plossl, possui diversas versões e atualmente é a ocular mais difundida.

Como utiliza dois dubletos (uma lente concava e uma convexa juntas) idênticos, é também conhecida por ocular simétrica. É uma ocular versatil tanto para observação planetária como para observação de céu profundo. Seu custo situa-se tipicamente na casa dos 40 a 60 dólares os modelos mais populares. Modelos fabricados pela TeleVue podem atingir preços de 90 a 250 dólares, dependendo da distância focal

Oculares ortoscópicas Abbe da série Baader Phanton Group, hoje não mais fabricadas devido ao custo mais elevado quando comparado a outras oculares ortoscópicas semelhantes. Seu grande diferencial era o excelente coating empregado e a precisão de polimento de suas lentes. Crédito: autor.

Ocular composta por 4 elementos ópticos desenhada por Ernest Abbe em 1880, denominada de ortográfica ou ortoscópica, mais corretamente de ortoscópica Abbe. Uma ocular ortoscópica é qualquer ocular que apresente baixíssimo grau de distorção da imagem. Quando nos referimos à oculares ortoscópicas ou simplesmente oculares ortho (do inglês orthoscopic) estamos nos referindo as ortoscópicas Abbe. Este design utiliza um tripleto convexo-convexo como lente de campo e uma lente plano-côncava como lente de olho. Possuem uma imagem praticamente perfeita, sem distorções do campo de visão (campo plano) e alto contraste, além de um bom descanso de olho (eye relief). Por outro lado, seu campo de visão é pequeno, tipicamente na faixa de 40 a 45 graus.  São oculares destinadas para observação planetária e lunar, onde nenhuma outra possui desempenho melhor pelo investimento empregado.

Oculares Vixen Lanthanum LVW, 65 graus AFOV. Crédito: autor

São oculares com 8 elementos ópticos arranjados em 5 grupos, com um descanso de olho de 20 mm, 65 graus de campo de visão aparente, sendo que a ocular de 42 mm pode atingir 72 graus de campo aparente, com multiplo revestimento (Fully Multi-Coated) e alguns elementos ópticos construidos com vidro a base de Lantânio, conferindo menor distorção. O campo de visão é praticamente plano, apenas distorcendo próximo a borda. A imagem observada é extremamente boa e a relação custo/benefício muito favorável quando comparada à série Delos da Televue, com peso variando entre 440 a 545 gramas.

Na imagem acima, da esquerda para a direita, temos uma ocular Explorer Scientific de 20 mm de distância focal e 100 graus de AFOV, uma Panoptic Televue de 41 mm de distância focal e uma Nagler Televue Type 5 com 31 mm de distância focal. A ortoscópica de 12.5 mm de DF da Baader foi colocada na imagem apenas para comparação de tamanho. Todas as três oculares oscilam entre 900 e 1100 gramas de peso.

A ocular da Explorer Scientific é purgada a nitrogênio, isto é, a construção da ocular e os espaços em seu interior são isentos de ar atmosférico e substituído por nitrogênio, um gás inerte. O objetivo é proteger os elementos ópticos da umidade e da contaminação por fungos. Naturalmente se a ocular for desmontada, perde-se esta característica. As oculares desta série utilizam de 8 a 10 elementos ópticos arranjados em grupos de 6 ou 7 elementos, dependendo da distância focal. No caso desta ocular com 20 mm de distância focal, temos 9 elementos ópticos num arranjp de 6 grupos, com um descanço de olho de 14.5 mm e pesando 968 gramas. O campo de visão é de 100 graus; entretanto, apresenta distorção nas bordas e, se comparada à uma Ethos da Televue de 21 mm de distância focal, a imagem da Ethos é superior em qualidade. Por outro lado, essa ocular ganha no quesito custo/benefício já que uma Ethos de mesma distância focal custa o dobro do preço.

A ocular seguinte é uma Panoptic, 41 mm de distância focal e descanso de olho de 27 mm,  da Televue. Seu custo atual é de $ 510.00 (Optcorp, 2018). Possui um campo de visão de 68 graus, utilizando 6 elementos ópticos em 4 grupos pesando 952 gramas. Essa ocular desempenha melhor com telescópios de longa distância focal como o meu Meade LX 50, 254 mm F/10; apresentando uma imagem com bom contraste, praticamente nenhum "pincushion" (veja a imagem abaixo para essa distorção óptica) e um excelente desempenho na borda. O problema é que se trata de uma ocular de nicho (pelo preço da ocular você compra um tubo óptico de um newtoniano de 200 mm de abertura F/4 - F/5).

Efeito de "pincushion", esquerda, e de barril, direita, muito comum em instrumentos de grande campo de visão.

A última ocular é uma Nagler, tipo 5, da Televue. Construida com 6 elementos ópticos em 4 grupos, apresenta um campo de visão de 82 graus, com 31 mm de distância focal e descanso de olho de 19 mm, pesando 997 gramas. Essa ocular possui melhor correção que uma Panoptic, mas ambas não são totalmente corrigidas para distorção linear, o que pode ser observado com as Radians e as Nagler tipo 4. Entretanto, sua imagem é excepcional em objetos de céu profundo (DSO) para o qual foi originariamente projetada. Também trata-se de uma ocular de nicho, com preço atual de $ 646.01 (Optcorp, 2018 - acho o um centavo um absurdo :-) ).

Ao observar por qualquer uma destas oculares, você tem a sensação de estar caindo no espaço, tamanho é o campo de visão. As imagens são muito boas e as estrelas aparecem bastante pontuais.

Um problema com essas oculares é o peso. Todas utilizam barril de 2 polegadas e quando utilizadas em um telescópio com montagem em forquilha, não há muito problema com o equilibrio. Já em telescópios com montagem equatorial, o equilíbrio se perde necessitando de correções para poder usar o equipamento. Outro problema é relacionado com o tipo de focalizador. Num focalizador Crayford padrão, dependendo da posição do telescópio, você pode ter queda da ocular no chão. O focalizador precisa ter recurso de trava da ocular e da sua posição, caso contrário, a ocular poderá deslocar o focalizador para dentro do tubo ou mesmo sair do mesmo e caindo ao chão.