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Die
Erfindung betrifft ein Spiegelteleskop mit einem Hauptspiegel und
einem außerhalb
des Strahlengangs des einfallenden parallelen Lichtbündels angeordneten
Sekundärspiegel.
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In
der optischen Astronomie werden Teleskope bekanntlich eingesetzt,
um entfernte Himmelskörper
so abzubilden, dass sie unter einem größeren Sehwinkel erscheinen
und dem Auge ein helleres und vergrößertes Bild zugeführt wird.
Die von weit entfernten Objekten, z. B. Sternen, auf das Auge einfallenden
Strahlen verlaufen annähernd
parallel und können
ohne Akkommodation auf der Netzhaut abgebildet werden. Die aus einem
Teleskop austretenden Strahlen sollten daher ebenfalls parallel
sein. Im sichtbaren Wellenlängenbereich
unterscheidet man zwischen Linsenteleskopen (Refraktoren) und Spiegelteleskopen
(Reflektoren). Leistungsfähige
Teleskope für
astronomische Anwendungen werden heutzutage fast ausschließlich als
Reflektoren gebaut. Im Gegensatz zu den Refraktoren leiden sie nicht
an chromatischer und sphärischer
Aberration und absorbieren kein Licht. Als lichtsammelndes Element weisen
astronomische Spiegelteleskope einen üblicherweise parabolisch geschliffenen
Hauptspiegel (oder Primärspiegel)
auf. Der Hauptspiegel reflektiert bei herkömmlichen Spiegelteleskopen
das einfallende parallele Lichtbündel
zurück
in Richtung des abzubildenden entfernten Objektes. Im Strahlengang
des einfallenden parallelen Lichtbündels ist ein Sekundärspiegel
(oder Fangspiegel) angeordnet, der das Licht aus dem Strahlengang
des einfallenden Lichtbündels
heraus in ein Okular reflektiert. Bei bekannten Spiegelteleskopen
vom Newton-Typ ist der Sekundärspiegel
ein um 45° gegen
die Lichteinfallsrichtung geneigter Planspiegel. Großteleskope
sind jedoch in der Regel als Cassegrain-Teleskope gebaut. Sie besitzen
in der Mitte des Hauptspiegels eine Bohrung. Der Sekundärspiegel
ist hyperbolisch geschliffen und reflektiert das Licht durch diese
Bohrung in das Okular.
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Spiegelteleskope
der zuvor beschriebenen Art leiden unter der kontrastmindernden
Abschattung durch den im Strahlengang des einfallenden Lichtbündels befindlichen
Sekundärspiegel
sowie dessen meist vorhandene Tragkonstruktion.
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Aus
dem Stand der Technik, beispielsweise aus der
EP 0 964 283 B1 , sind so
genannte Schiefspiegler vorbekannt. Dabei handelt es sich um abschattungsfreie
Spiegelteleskope, die im Allgemeinen aus einer Mehrzahl von Spiegeln
in unterschiedlich gekippter Anordnung und mit unterschiedlich geformten
Reflexionsflächen
(konkav, konvex, torisch, parabolisch, hyperbolisch und dergl.)
bestehen. Durch die Verkippung des Hauptspiegels entstehen Abbildungsfehler,
nämlich
vor allem Astigmatismus, die sich äußerst negativ auf die Abbildungsqualität auswirken.
Zwar befindet sich bei den bekannten Schiefspieglern der (oder die)
Sekundärspiegel
außerhalb
des Strahlengangs des einfallenden parallelen Lichtbündels, so
dass keine Kontrastminderung durch Abschattung auftritt. Die bekannten
Schiefspiegler haben allerdings den Nachteil, dass ein vergleichsweise
großer
Aufwand zur Korrektur der Abbildungsfehler getrieben werden muss.
Zudem bauen die bekannten Schiefspiegler meist recht sperrig und
sind umständlich
zu handhaben, nicht zuletzt aufgrund der zahlreichen Justiermöglichkeiten
der aufwendigen Spiegelanordnungen.
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Vor
diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung, ein abschattungsfreies
Spiegelteleskop bereitzustellen, das kompakt baut und einfach zu handhaben
ist. Außerdem
soll ein Spiegelteleskop geschaffen werden, das möglichst
kostengünstig
herstellbar ist.
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Diese
Aufgabe löst
die Erfindung ausgehend von einem Spiegelteleskop der eingangs genannten Art
dadurch, dass der Hauptspiegel das einfallende Lichtbündel unter
einem Winkel von im Wesentlichen 90° auf den Sekundärspiegel
reflektiert.
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Das
erfindungsgemäße Spiegelteleskop
ist abschattungsfrei und kann kostengünstig hergestellt werden, da
lediglich zwei Spiegel, nämlich
der Hauptspiegel und der Sekundärspiegel,
benötigt
werden. Außerdem
lässt sich
eine besonders kompakte und einfach handhabbare Bauweise erzielen.
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Ein
besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Spiegelteleskops ist, dass
das auf den Sekundärspiegel
reflektierte Lichtbündel
so geführt
werden kann, dass der Strahlengang des reflektierten Lichts mit
der Deklinationsachse der Teleskopmontierung zusammenfällt. Damit
ist eine besonders kompakte, schwingungsarme Teleskopmontierung
möglich.
Die sonst häufig übliche Verwendung
von Gegengewichten kann bei der Teleskopmontierung des erfindungsgemäßen Spiegelteleskops
entfallen. Zweckmäßigerweise
ist also bei dem erfindungsgemäßen Spiegelteleskop
ein Spiegelträger
vorgesehen, an welchem der Hauptspiegel und der Sekundärspiegel
angeordnet sind, wobei der Spiegelträger mittels der Teleskopmontierung
um eine erste Drehachse (die Deklinationsachse) drehbar ist, welche
mit der Achse des von dem Hauptspiegel reflektierten Lichtbündels zusammenfällt. Die
Deklinationseinstellung erfolgt dann einfach durch Verdrehen des
Spiegelträgers um
die Achse des von dem Hauptspiegel reflektierten Lichtbündels herum.
Zweckmäßigerweise
ist ein Teleskoprohr des erfindungsgemäßen Spiegelteleskops konzentrisch
zu der ersten Drehachse angeordnet. Zur Einstellung der Deklination
muss dann lediglich das Teleskoprohr um seine Längsachse verdreht werden.
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Für die Nachführung des
erfindungsgemäßen Spiegelteleskops
sollte außerdem
mittels der Teleskopmontierung eine Drehung des Spiegelträgers um
eine zu der ersten Drehachse senkrechte, zweite Drehachse möglich sein.
Azimutale oder parallaktische Montierungen sind gleichermaßen möglich.
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Der
Hauptspiegel des erfindungsgemäßen Spiegelteleskops
sollte nach Möglichkeit
so ausgebildet sein, dass Abbildungsfehler durch die Ablenkung des
einfallenden Lichtbündels
um 90° erst
gar nicht auftreten. Hierzu kann der Hauptspiegel beispielsweise
als torischer Hohlspiegel ausgebildet sein, der gegen die Richtung
des einfallenden Strahlenbündels
(um 45°)
geneigt ist. Der torische Hohlspiegel weist unterschiedliche Krümmungsradien
auf. Dadurch wird das Auftreten eines Astigmatismus verhindert.
Für die
erfindungsgemäße Knickung
des Strahlengangs um 90° sollte
ein Krümmungsradius
des torischen Hohlspiegels doppelt so groß sein wie der andere Krümmungsradius
(r1 = 2 r2).
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Es
zeigt sich, dass das erfindungsgemäße Spiegelteleskop besonders
einfach realisiert werden kann, wenn die Reflexionsflächen des
Hauptspiegels und/oder des Sekundärspiegels rotationssymmetrische
Flächen
2. Ordnung sind. Damit die gewünschte Knickung
des Strahlengangs um 90° erfolgt
und gleichzeitig Abbildungsfehler vermieden werden, sollte dabei
die Reflexionsfläche
des Hauptspiegels außerhalb
der Rotationsachse der rotationssymmetrischen Fläche angeordnet sein.
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Die
Reflexionsfläche
des Hauptspiegels kann beispielsweise durch ein Rotationsparaboloid gebildet
sein, wobei die Rotationsachse des Rotationsparaboloids parallel
zur Richtung des einfallenden Lichtbündels verläuft. Das außerhalb der Rotationsachse
des Rotationsparaboloids auf den Hauptspiegel auftreffende Licht
wird dann unter einem Winkel von im Wesentlichen 90° in Richtung
auf den Fokus des Rotationsparaboloids reflektiert.
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Die
Reflexionsfläche
des Sekundärspiegels kann
vorteilhafterweise durch ein Hyperboloid oder ein Ellipsoid gebildet
sein. Durch diese Formgebung des Sekundärspiegels ist sichergestellt,
dass die Abbe'sche
Sinusbedingung (zumindest näherungsweise)
erfüllt
ist. Dies ist eine wichtige Voraussetzung dafür, dass das erzeugte Bild eine
getreue Wiedergabe des mit dem Teleskop betrachteten Objekts ist. Der
Fokus des Hauptspiegels sollte mit einem der Brennpunkte des Sekundärspiegels
zusammenfallen. Das auf den Sekundärspiegel von dem Hauptspiegel
einfallende Lichtbündel
wird dann auf den zweiten Brennpunkt des Sekundärspiegels fokussiert. Dadurch
ist die Anordnung der Okularoptik vorgegeben.
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Es
zeigt sich, dass die Brennweite des erfindungsgemäßen Spiegelteleskops
sehr einfach durch Austausch des Sekundärspiegels variiert werden kann.
Zweckmäßigerweise
ist daher bei dem erfindungsgemäßen Spiegelteleskop
ein Satz von wenigstens zwei austauschbaren Sekundärspiegeln vorgesehen,
die sich hinsichtlich der Form ihrer Reflexionsfläche und/oder
ihrer Anordnung im Strahlengang unterscheiden. Die Brennweite des
Spiegelteleskops hängt
von der Form der Reflexionsfläche
des Sekundärspiegels
sowie von der Anordnung des Sekundärspiegels im Strahlengang ab.
Durch entsprechende Wahl dieser Parameter kann die effektive Brennweite
des Teleskops vorgegeben werden. Dies ist besonders vorteilhaft,
da sich durch einfachen Austausch des Sekundärspiegels verschiedene Brennweiten
mit jeweils ein und demselben Hauptspiegel kostengünstig realisieren
lassen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 Darstellung
des Strahlengangs bei einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Spiegelteleskops;
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2 Darstellung
des Strahlengangs bei einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Spiegelteleskops;
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3 Darstellung
des Strahlengangs bei einem dritten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Spiegelteleskops;
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4 erfindungsgemäßes Spiegelteleskop mit
parallaktischer Teleskopmontierung;
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5 erfindungsgemäßes Spiegelteleskop mit
azimutaler Teleskopmontierung.
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Die 1 bis 3 veranschaulichen
anhand von drei verschiedenen Ausführungsbeispielen schematisch
den Strahlengang des erfindungsgemäßen Spiegelteleskops.
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Das
Spiegelteleskop weist einen Hauptspiegel 1 auf, auf den
ein einfallendes paralleles Lichtbündel 2 auftrifft.
Der Hauptspiegel 1 reflektiert das einfallende Lichtbündel 2 unter
einem Winkel von im Wesentlichen 90° auf einen Sekundärspiegel 3.
Der Sekundärspiegel 3 reflektiert
das Licht sodann in ein Okular 4.
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Bei
den in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispielen
sind die Reflexionsflächen des
Hauptspiegels 1 und des Sekundärspiegels 3 rotationssymmetrische
Flächen
2. Ordnung. Die Reflexionsfläche
des Hauptspiegels 1 ist bei sämtlichen Ausführungsbeispielen
außerhalb
der Rotationsachse 5 der rotationssymmetrischen Fläche angeordnet. Die
Rotationsfläche
des Hauptspiegels 1 ist bei den in den 1 bis 3 dargestellten
Ausführungsbeispielen
durch ein Rotationsparaboloid 6 gebildet. Die Rotationsachse 5 des
Rotationsparaboloids 6 ist parallel zur Einfallsrichtung
des Lichtbündels 2.
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Wie
in den 1 bis 3 zu erkennen ist, werden die
in unterschiedlichem Abstand von der Rotationsachse 5 auf
den Hauptspiegel 1 einfallenden Lichtstrahlen des Lichtbündels 2 unter
stark unterschiedlichen Winkeln (5,453° und 6,026° bzw. 2,794° und 2,938°) auf den Fokus F reflektiert.
Die Reflexionsflächen
des Sekundärspiegels 3 sind
bei den in den 1 und 2 dargestellten
Ausführungsbeispielen
durch Ellipsoide gebildet. Bei dem in der 3 dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist die Reflexionsfläche
des Sekundärspiegels
durch ein Hyperboloid gebildet. Die ellipsoide bzw. hyperboloide Formgebung
sorgt dafür,
dass, wie in den 1 bis 3 zu erkennen
ist, die verschiedenen Lichtstrahlen unter jeweils gleichen Winkeln
(2,864°,
5,725° und
1,432° bzw.
5,725°,
11,421° und
2,864°)
in das Okular 4 reflektiert werden. Somit sorgt die Formgebung
der Reflexionsfläche
des Sekundärspiegels 3 dafür, dass
die Abbe'sche Sinusbedingung
bei dem erfindungsgemäßen Spiegelteleskop
(näherungsweise)
eingehalten ist.
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Bei
den Ausführungsbeispielen,
die in den 1 und 2 dargestellt
sind, sind die Sekundärspiegel
jeweils unterschiedlich im Strahlengang angeordnet. Außerdem sind
die Reflexionsflächen
der Sekundärspiegel
unterschiedlich geformt. Bei beiden Ausführungsbeispielen fallen der
Fokus F des Hauptspiegels und ein Brennpunkt F1 des
Ellipsoids 7 zusammen. Bei dem in der 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist jedoch der Winkel (26,565°)
zwischen der Rotationsachse 5 des Paraboloids 6 und der
großen
Halbachse 8 des Ellipsoids 7 deutlich kleiner
als bei dem in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
(63,435°).
Das Okular 4 befindet sich jeweils im zweiten Brennpunkt
F2 des Ellipsoids 7. Bei dem in
der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ergibt sich
aufgrund der abgeänderten
Anordnung des Sekundär spiegels 3 und
aufgrund der anderen Form der Reflexionsfläche des Sekundärspiegels 3 eine
gegenüber
dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
halbierte effektive Brennweite des Spiegelteleskops.
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Bei
dem in der 3 dargestellten Ausführungsbeispiel
wird die Form der Reflexionsfläche
des Sekundärspiegels 3 durch
ein Hyperboloid 9 gebildet. Die hyperboloide Formgebung
der Reflexionsfläche
sorgt wiederum dafür,
dass die Abbe'sche
Sinusbedingung, die essentiell für
die Qualität
der Abbildung ist, eingehalten wird. Auch bei der hyperboloiden
Formgebung des Sekundärspiegels 3 ist,
wie in der 3 zu erkennen ist, die Rotationsachse 10 des Hyperboloids 9 gegenüber der
Rotationsachse 5 des Paraboloids 6 geneigt.
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Die 1 bis 3 veranschaulichen
ein wesentliche Merkmal des erfindungsgemäßen Spiegelteleskops, das darin
besteht, dass die Reflexionsfläche
des Hauptspiegels 1 eine rotationssymmetrische Fläche 2. Ordnung
ist, wobei der Hauptspiegel 1 außerhalb der Rotationsachse 5 dieser
rotationssymmetrischen Fläche 6 angeordnet
ist.
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Ein
weiteres wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Spiegelteleskops ist, dass
das einfallende Lichtbündel 2 durch
den Hauptspiegel 1 unter einem Winkel von im Wesentlichen
90° auf
den Sekundärspiegel 3 reflektiert
wird.
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Die 4 zeigt
ein erfindungsgemäßes Spiegelteleskop
mit parallaktischer Teleskopmontierung. Der Hauptspiegel 1 und
der Sekundärspiegel sind
an einem gemeinsamen Spiegelträger
angeordnet. Bestandteil des Spielträgers ist ein Teleskoprohr 11,
das konzentrisch zu der Achse des von dem Hauptspiegel 1 reflektierten
Lichtbündels
angeordnet ist. Das Teleskoprohr 11 ist um seine Längsachse 12 drehbar.
Zur Verstellung der Deklination wird das Teleskoprohr 11 um
die erste Drehachse 12 verdreht. Zum Nachführen ist
eine zweite Drehachse 13 vorgesehen, die senkrecht zu der
ersten Drehachse 12 angeordnet ist. Bei der parallaktischen
Montierung bildet die Drehachse 13 die so genannte Stundenachse.
Weiterhin ist in der 4 zu erkennen, dass dem Sekundärspiegel 3 eine
Okularoptik 4 zugeordnet ist.
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Die 5 zeigt
ein erfindungsgemäßes Spiegelteleskop
mit azimutaler Teleskopmontierung, wie sie sich insbesondere für Großgeräte eignet.
Der Primärspiegel 1 befindet
sich im Mittelpunkt und ist um die horizontal ausgerichtete Deklinationsachse 12 drehbar.
Hierbei bewegt sich der Sekundärspiegel 3 auf
einer Kreisbahn 14 um den Hauptspiegel 1 herum.