DE3943258A1 - Silhouettierungsfreies spiegelsystem fuer astronomische teleskope vom typ schiefspiegler - Google Patents

Silhouettierungsfreies spiegelsystem fuer astronomische teleskope vom typ schiefspiegler

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Description

Silhouettierungsfreies Spiegelsystem für astronomische Teleskope vom Typ Schiefspiegler.
Die Erfindung betrifft ein Spiegelsystem nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Die Verwendung von konkavem Primär- und konvexem Sekundärspiegel wird gewählt, weil die optischen Abbildungsfehler Koma, Astigmatismus und sphärische Aberration entgegengesetztes Vorzeichen aufweisen, und sie sich damit wenigstens zum Teil aufheben. Durch den Verzicht auf brechende Flächen werden chromatische Fehler ausgeschlossen. Abschattungen des Strahlen­ ganges müssen vermieden werden, weil nur der silhouettierungs­ freie Strahlengang eine Abbildung mit höchstmöglichem Kontrast und mit theoretischem Auflösevermögen garantiert.
Stand der Technik und Kritik 1. Anastigmatischer Schiefspiegler nach KUTTER:
Der Urahne aller Schiefspiegler, bestehend aus einem konkaven Primär- und einem konvexen Sekundärspiegel. Etwa F/23 bis F/28.
Nachteile:
  • 1.1. Oberhalb von etwa 125 mm Öffnung wird die Baulänge zu groß. Daher sind größere Systeme nicht realisierbar.
  • 1.2. Um Astigmatismus und Koma gleichzeitig zu beseitigen, muß eine der Flächen nicht-rotationssymmetrisch deformiert werden, was mit der erforderlichen Flächengüte nicht möglich ist.
  • 1.3. Bei zenitnaher Beobachtung muß entweder eine weitere spiegelnde Fläche oder es müssen, will man gleich­ zeitig eine astronomische Bildorientierung erzielen, mindestens zwei zusätzliche Flächen eingeführt werden.
  • 1.4. Wegen des dem Refraktor ähnlichen Einblicks von hinten muß das Instrument oberhalb des Kopfes eines Beobachters montiert werden, was die Kosten für Montierung und Schutzbau beträchtlich erhöht.
2. Katadioptrischer Schiefspiegler nach KUTTER:
Wie unter 1. bestehend aus konkavem Primär- und konvexem Sekundärspiegel und zusätzlich einer langbrennweitigen Linse. Standardmäßig F/20.
Nachteile:
  • 2.1. Wie Nachteil 1.3.
  • 2.2. Wie Nachteil 1.4.
  • 2.3. Systeme oberhalb von etwa 400 mm Öffnung können wegen der unkorrigierten Restfehler nicht ausgeführt werden. So sind bei einem 250 mm-System nach (1.2.) S. 15 die Zerstreuungsfiguren bereits auf der optischen Achse etwa 1,5mal größer als das Auflösevermögen. Nach (1.1.), S. 119/120, ergibt sich für ein 200-mm-System ein beugungsbegrenztes Bildfeld von etwa 15 mm Durchmesser.
  • 2.4. Die Linse verursacht chromatische Abbildungsfehler, die nur durch Verwendung reiner Spiegeloptik oder durch ein achromatisches Linsensystem vermieden werden können.
3. Drei-Spiegel-Schiefspiegler (kurz TRI):
Eine Weiterentwicklung des Schiefspieglers durch den Amerikaner R. A. BUCHROEDER (2 Versionen, F/19 und F/20; Abb. 1 und 2). Im wesentlichen wird die Linse von 2. durch einen Spiegel ersetzt. Diese Entwürfe stellen bis heute den Stand der Technik dar. Später hat auch A. KUTTER ein 3-Spiegel-System angegeben, das jedoch erhebliche optische Mängel aufwies (s. Abb. 3) und daher ausscheidet.
Nachteile von Version I (Quellen 3.1. und 1.2.):
  • 3.1.1. Extrem große Bildfeldneigung von 16°.
  • 3.1.2. Wie Nachteil 1.4.
  • 3.1.3. Um eine astronomische Bildorientierung zu erhalten, muß eine weitere Fläche eingeführt werden.
  • 3.1.4. Die Fehlerkorrektur ist meridional sehr viel schlechter als sagittal. Das beugungsbegrenzte Bildfeld beträgt im ersten Fall etwa 10 mm. Hierbei ist zu bedenken, daß Sonne und Mond bereits bei einem 250-mm-System einen Durchmesser von rund 45 mm haben.
  • 3.1.5. Systeme mit mehr als 250 mm Öffnung können wegen der optischen Restfehler nicht gebaut werden.
Nachteile von Version II (Quellen 3.8.; 3.9.; 3.10.):
  • 3.2.1. Wie Nachteil 3.1.3.
  • 3.2.2. Der extreme Krümmungsradius des 3. Spiegels (53 Meter! bei 320 mm Öffnung), erfordert bei der Herstellung einen Prüfraum von rund 54 m Länge, oder das Prüfen im Freien, oder die Faltung des Strahlenganges mit einem Planspiegel, oder die Verwendung von Referenzflächen.
  • 3.2.3. Das beugungsbegrenzte Bildfeld ist mit 20 mm Durchmesser nur von mäßiger Größe (siehe auch 3.1.4.).
  • 3.2.4. Systeme mit mehr als etwa 400 mm Öffnung können wegen der optischen Restfehler nicht gebaut werden.
RESÜMEE:  Der KUTTER-TRI scheidet wegen seiner gravierenden optischen Mängel aus. Ein 318-mm- (12,5″) System ist aus diesem Grunde aufgegeben worden. Siehe hierzu (3.4.). Die BUCHROEDER- TRI Version I weist mit den Nachteilen 3.1.1. und 3.1.4. ebenfalls besonders schwere Mängel auf.
Version II ist wegen 3.2.2. nur selten von Amateurastronomen gebaut worden. Für Berufsastronomen scheiden diese Instrumente generell aus, denn wegen der unkorrigierten Restfehler lassen sich diese Instrumente nur mit geringen Öffnungen bauen.
AUFGABE
Einige Anwender des Tri-Schiefspieglers hatten eine weitere Reflexion (Quellen 3.2. S. 48; 3.5. S. 272; 3.8. S. 34) an einer Planfläche benutzt, um so wenigstens den Nachteil 3.1.3. beseitigen zu können. Bei vier Flächen ergeben sich jedoch neue Freiheitsgrade zur Fehlerkorrektur. Diese Möglichkeit war aber nicht erkannt und nicht genutzt worden.
Die Aufgabe bestand darin, von vornherein ein silhouettierungsfreies Vier-Spiegel-System zu errechnen, und mit den noch freien Parametern wenigstens einen der oben genannten schwerwiegenden (z. B. 3.1.1.; 3.1.4.; 3.1.5.; 3.2.2.) Nachteile zu beseitigen oder spürbar zu vermindern. Dies sollte jedoch ohne eine dreidimensionale Anordnung der optischen Komponenten, ohne den Einsatz nicht-rotationssymmetrischer Flächen, ohne starke asphärische Deformationen (k ≦ -1) und ohne den Einsatz irgendeines anderen nachteiligen Mittels geschehen.
LÖSUNG
Diese Aufgabe wird durch ein Spiegelsystem nach Anspruch 1 gelöst.
Hierbei konnte nicht nur einer, sondern es konnten alle Nachteile nach 3. vollständig beseitigt oder zumindest vermindert werden.
WEITERE VORTEILE UND SONDERFÄLLE
Die Systeme sind unempfindlich gegen Fertigungstoleranzen, weil die hierdurch zu erwartenden Bildfehler automatisch bei der Justierung beseitigt werden.
Das Spiegelsystem läßt sich durch die noch vorhandenen Freiheitsgrade Sonderwünschen anpassen, wobei sich die jeweils günstigste Auslegung nach dem vorgesehenen Einsatzgebiet richtet.
Im einzelnen ist es möglich, Systeme
  • 1. mit ausschließlich sphärischen Flächen auch bei Öffnungen von 500 mm und mehr
  • 2. ohne Bildfeldneigung
  • 3. ohne anamorphotische Verzeichnung
  • 4. mit im Betrieb veränderbarer Einblicksrichtung (bezogen auf die Längsachse des einfallenden Lichtbündels)
herzustellen.
BESCHREIBUNG VON DREI AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN BEISPIEL 1
Um den großen technischen Fortschritt zu erkennen, sei der beste bisher errechnete Schiefspiegler, BUCHROEDERS Version II (Abb. 2), mit einem typischen Vertreter der neuen Vier-Spiegel- Schiefspiegler (Abb. 4) verglichen. Obwohl letzterer stark benachteiligt wird, da er eine größere Öffnung (500 mm statt 318 mm) und ein größeres Öffnungsverhältnis (F/19 statt F/20,2) hat und nur sphärische Flächen besitzt, sind die Abbildungsfehler besonders in meridionaler Richtung beträchtlich vermindert, bzw. das brauchbare Bildfeld vergrößert worden.
Kann auf den 3. der oben aufgezählten Vorteile verzichtet werden, so muß der vierte Spiegel nicht exakt plan ausgeführt werden. Die hierdurch bedingten Abbildungsfehler lassen sich ohne Nachteile für das Gesamtsystem ausjustieren.
Zur - nicht notwendigen - Korrektur der sphärischen Aberration müßte der Primärspiegel mit k(1) = -0,6 ellipsoidisch deformiert werden.
Tetra-Schiefspiegler Nr. 35: 500 mm F/19 (mm/°)
BEISPIEL 2
Ein Schiefspiegler mit 1020 mm Öffnung (Abb. 5) lag bisher weit außerhalb aller Möglichkeiten, weil dies die Restfehler der bekannten Systeme ausschlossen. Das System geht aus dem der Abb. 5 hervor und läßt erkennen, daß auch die Fehler höherer Ordnung gehoben wurden. Es verfügt über ein nutzbares Bildfeld von etwa 80 mm und ein beugungsbegrenztes von etwa 40 mm Durchmesser.
Verglichen mit einem Refraktor hätte dieses System weniger als die halbe Baulänge, einen Tubus mit etwa dem halben Durchmesser (abgesehen von einem kurzen Stück Hauptspiegeltubus), eine absolut farbenfehlerfreie Abbildung, und es könnte in Zukunft mit adaptiver Optik versehen werden.
Da es sich bei dem 4. Spiegel um eine Planfläche handelt, kann mit seiner Hilfe die Richtung des Einblicks variiert werden.
Tetra-Schiefspiegler Nr. 16: 1020 mm F/18,1 (mm/°)
BEISPIEL 3
Ein silhouettierungsfreies 4-Spiegel-System (Abb. 6) mit beseitigter Bildfeldneigung und großem, beugungsbegrenztem Bildfeld.
Tetra-Schiefspiegler Nr. 37: 255 mm F/20,5 (mm/°)
Verzeichnis der Abbildungen
Abb. 1 BUCHROEDER Tri-Schiefspiegler I, 254 mm F/19,2
Abb. 2 BUCHROEDER Tri-Schiefspiegler II, 318 m F/20,2
Abb. 3 KUTTER Tri-Schiefspiegler, 203 mm F/14,6
Abb. 4 Tetra-Schiefspiegler, 500 mm F/19
Abb. 5 Tetra-Schiefspiegler, 1020 mm F/18,1
Abb. 6 Tetra-Schiefspiegler, 255 mm F/20,5
Abb. 7 Schema des Strahlenganges eines Tetra-Schiefspieglers
ANHANG NOMENKLATUR und VORZEICHENREGELUNG Schiefspiegler
Ein Teleskop für vorwiegend astronomische Anwendung, dessen erste optische Fläche von einem konkaven und dessen zweite optische Fläche von einem konvexen Spiegel gebildet wird. Diese und - falls vorhanden - alle weiteren Flächen müssen so angeordnet sein, daß keine gegenseitige Abschattung des Strahlengangs auftritt.
Meridionalebene:
Ist diejenige Ebene, die allen Spiegelscheiteln und dem Fokus gemeinsam ist. In den Spotdiagrammen liegt sie waagerecht (punktierte Linie) und im Layout entspricht sie der Zeichenebene.
Tangential- oder Sagittalebene:
Diese Ebene liegt senkrecht zur Meridionalebene und ist in Spotdiagrammen ebenfalls durch eine punktierte (senkrechte) Linie markiert.
A.D. (= AIRYDisk):
In allen Spotdiagrammen durch maßstäbliche Kreise gekennzeichnet.
Spotdiagramme:
Alle Diagramme sind für ebene Bildfelder errechnet worden. Der Abstand zwischen den einzelnen Zerstreuungsfiguren beträgt meridional und sagittal jeweils 10 mm in der Brennebene und erlaubt eine Abschätzung des beugungsbegrenzten Feldes.
  • -- R(n): Krümmungsradius der n-ten Fläche.
  • -- α(n): Winkel, um den die n-te Fläche gedreht wird. Vorz.: Rechtsdrehung α < 0°C; Linksdrehung α < 0°
  • -- e(n): Abstand zwischen Spiegel n und Spiegel n+1 bzw. Abstand zwischen Spiegel n und Fokus
  • -- k(n): Deformationskoeffizient der n-ten Fläche.
    Sphäroid: k = 0; Ellipsoid: -1 < k < 0
    Paraboloid: k = -1; Hyperboloid: k < -1
  • -- δ: Neigung der Bildebene gegen die optische Achse. Rechtsdrehung: δ < 0; Linksdrehung: δ < 0.
  • -- D(δ): Anamorphotische Verzeichnung, berechnet für die Bildfeldneigung δ. Positive Werte zeigen eine Dehnung in meridionaler Richtung an.
LITERATUR 1. Überblick:
Beide Quellen geben den seit 1969 unveränderten Stand der Technik wieder.
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(1.2.) R. A. Buchroeder "Design Examples of TCT's" Optical Sciences Center, University of Arizona Tucson, Arizona 85721 Techn. Rep. #68, 1971
2. 2-SPIEGEL-SCHIEFSPIEGLER
Anastigmatischer Schiefspiegler nach KUTTER.
(2.1.) A. Kutter "Der Schiefspiegler" Verlag F. Weichhardt, 1953
(2.2.) A. Kutter "Der Schiefspiegler" Sterne und Weltraum, Jan. 1965, S. 12
(2.3.) A. Kutter "Mein Weg zum Schiefspiegler" in "Astro Amateur", herausgegeben von der Schweiz. Astr. Gesellschaft, 1962, S. 34
(2.4.) A. Kutter "Bauanleitung für den Kosmos- Schiefspiegler" Kosmos Verlag, 1964
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
(2.5.) O. Knab "An Improved 4 1/2-Inch Unobstruced Oblique Reflector" Sky and Telescope, Okt. 1961, S. 232
(2.6.) O. Knab "Making a 3″ Schiefspiegler" Telescope Making #1, Fall '78, S. 4
(2.7.) R. E. COX "The Neo-Brachyt Reflector" Sky and Telescope, Aug. 1958, S. 529
3. 3-SPIEGEL-SCHIEFSPIEGLER
Auch als Tri-Schiefspiegler bezeichnet.
(3.1.) R. A. Buchroeder "A New Three-Mirror Off-Axis Amateur Telescope" Sky and Telescope, Dec. 1969, S. 418
(3.2.) A. Kutter "A New Three-Mirror Unobstructed Reflector" Sky and Telescope, Jan. 1975, S. 46
(3.3.) A. Kutter "More About The Tri-Schiefspiegler" Sky and Telescope, Feb. 1975, S. 115
(3.4.) R. E. Cox "Introducing the Kutter Tri- Schiefspiegler" Telescope Making #16, Summer '82, S. 10
Beschreibung von Ausführungsbeispielen:
(3.5.) H. M. Benson "Mounting A 6-Inch Tri-Schiefspiegler" Sky and Telescope, Sept. 1979, S. 270
(3.6.) A. L. Woods "How to Build a Tube for the Tri- Schiefspiegler" Telescope Making #16, Summer '82, S. 11
(3.7.) A. L. Woods "Collimating the Kutter Tri- Schiefspiegler" Telescope Making #16, Summer '82, S. 18
(3.8.) R. J. Wessling "Building a 12.5 Buchroeder Schiefspiegler" Telescope Making #28, Fall '86, S. 32
(3.9.) S. W. Johnston "Construction of a Second 12.5 Inch Buchroeder Schiefspiegler" Telescope Making #28, Fall '86, S. 44
(3.10.) D. L. McConaughy "Notes on the Construction of a 10-Inch f/20 Buchroeder Tri-Schief­ spiegler" Telescope Making #35, Winter 88/89, S. 40

Claims (4)

1. Spiegelsystem, insbesondere für astronomische Teleskope, mit konkavem Primär- und konvexem Sekundärspiegel, wobei letzterer außerhalb des einfallenden Lichtbündels angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das System aus vier unentbehrlichen, spiegelnden, silhouettierungsfrei angeordneten, optischen Flächen besteht.
2. Spiegelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag des Winkels α(3) zwischen der Scheitelnormalen der dritten Fläche und der Verbindungslinie, die durch die Scheitelpunkte der zweiten und dritten Fläche gebildet wird, kleiner als 34 Grad ist, wobei die optischen Flächen in der Reihenfolge gezählt werden, in der sie vom Licht getroffen werden.
3. Spiegelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag des Winkels α(3) zwischen der Scheitelnormalen der dritten Fläche und der Verbindungslinie, die durch die Scheitelpunkte der zweiten und dritten Fläche gebildet wird, kleiner als 25 Grad ist, wobei die optischen Flächen in der Reihenfolge gezählt werden, in der sie vom Licht getroffen werden.
4. Spiegelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag des Winkels α(3) zwischen der Scheitelnormalen der dritten FLäche und der Verbindungslinie, die durch die Scheitelpunkte der zweiten und dritten Fläche gebildet wird, kleiner als 15 Grad ist, wobei die optischen Flächen in der Reihenfolge gezählt werden, in der sie vom Licht getroffen werden.
DE3943258A 1989-12-29 1989-12-29 Silhouettierungsfreies spiegelsystem fuer astronomische teleskope vom typ schiefspiegler Granted DE3943258A1 (de)

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