DE4328438A1

DE4328438A1 - Lichtstarkes Groß-Feld 3-Spiegel-System

Info

Publication number: DE4328438A1
Application number: DE4328438A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dipl Ing Laux
Original assignee: LAUX UWE DIPL ING FH
Current assignee: LAUX UWE DIPL ING FH
Priority date: 1993-02-25
Filing date: 1993-08-24
Publication date: 1994-09-15

Description

In der astronomischen Gerätetechnik finden vor allem 2-Spiegel-Systeme nach Ritchey und Chretien Anwendung. Dieses RC-Cassegrain-System ist mit Öffnungsverhältnissen von 1 : 6 bis 1 : 15 weit verbreitet und wird mit Öffnungen bis 8 m gebaut. Das RCC-System ist als 2-Spiegel-Teleskop isoplanatisch, d. h. Öffnungsfehler und Koma sind korrigiert. Für die Astigmatismus- und Bildfeldwölbungskorrektur wird oftmals eine Gascoigne-Platte in Verbindung mit einer Ebnungslinse eingesetzt. Durch den Einsatz von Quarzglas wird eine hohe UV-Durchlässigkeit erreicht und die chromatischen Fehler treten bei den üblichene Öffnungsverhältnissen von 1 : 8 bis 1 : 15 nur in unbedeutender Größenordnung auf. Die Bildfelder betragen im Regelfall bis max. 1,5 Grad. Bei den langen Brennweiten sind dies relativ große lineare Bildfelder, welche Plattengrößen bis 40 _* 40 cm erfordern.

Als Großfeldsysteme werden im allgemeinen die Astrographen vom Sonnefeldtyp und Spiegelsysteme nach Schmidt und Slevogt bezeichnet.

Die Leistungsfähigkeit und damit die Reichweite der Astrographen ist durch die max. Größe der Optiken mit ca. 400 mm Öffnung und der erreichbaren Bildgüte sehr begrenzt. Auch apochromatische Astrographen können hier keine wesentlich höheren Reichweiten erzielen.

Die Schmidt- und Slevogtspiegelsysteme sind wegen ihrer großen Baulänge nur mit relativ kurzen Brennweiten baubar. Auch die Schmidtplatten, besonders bei Großgeräten, weisen einen nicht unbeträchtlichen chromatischen Fehleranteil auf. Die Fertigung großer Platten ist technologisch sehr aufwendig, die Materialfrage nicht unproblematisch, wird doch optisches Glas von hoher Qualität (Objektiv-Scheiben- Qualität, kein Spiegelglas) und großer Abmessung benötigt. So ist das größte Schmidtteleskop (Platte mit 1340 mm Durchmesser, Brennweite 4000 mm) bereits seit 1960 im KSO-Tautenburg im Einsatz, Projekte für größere Systeme wurden aber bereits in der Planungsphase abgebrochen.

Mit der zunehmenden Spezialisierung der astronomischen Forschung und den steigenden Kosten für Großgeräte sind Überlegungen für ein Teleskop mit breitem Einsatzgebiet immer mehr in den Vordergrund gerückt. Auch der Einsatz von CCD- Multichip Detektoren ist durch die heutige Leistungsfähigkeit der Computer- und Auswertetechnik für große lineare Bildfelder möglich (größer 200-300 mm).

Das Auflösungsvermögen des Teleskops wird primär durch die Pixelgröße der CCD und durch die Teleskopbrennweite bestimmt. Auch das Signal-zu-Rausch-Verhältnis der CCD ist zu berücksichtigen.

Somit sollte das Teleskop für einen solchen Empfänger eine hohe Lichtstärke aufweisen (Öffnungsverhältnis), ein großes Bildfeld (1,5-3 Grad), um große Sternfelder in kurzer Zeit zu erfassen. Auch soll weiterhin die gewonnene Datenbasis für erste Detailuntersuchungen ausreichend sein (Bildgüte). Weiterhin ist der Einsatz aktiver Steuermechanismen (aktive Optik) zur Verbesserung der Bildgüte möglich.

Dies erfordert eine relativ lange Brennweite, sie liegt für die 20 µm CCD Pixel bei 0,41′′ pro Pixel (Brennweite 10 m). Eine kürzere Brennweite bedeutet primärer Auflösungsverlust (bei dieser Pixelgröße » kleinere Pixel = kürzere Brennweite), dieser kann bei einer reinen Überwachungsaufgabe gezielt durch Pixelzusammenfassung (Pixelbinnig) erfolgen.

Eine zu kurze Brennweite begrenzt das Teleskop somit in seiner Leistung und schränkt die Anwendungsmöglichkeiten ein und eine zu lange Brennweite verlängert nur unnötig die effektiven Belichtungszeiten, bringt aber keinen Auflösungs- bzw. Reichweitengewinn. Dies ist für ein modernes Teleskop unakzeptabel. Für ein Schmidtsystem hieße dies 20 m Tubuslänge bei einer Brennweite von 10 m.

Für diese Anforderungen sind die kompakten lichtstarken 3-Spiegel-Systeme sehr gut geeignet. Sie ermöglichen neben einer hohen Lichtstärke ein großes Bildfeld bei guten bis sehr guten Spotkonzentrationen. Die kurze Baulänge senkt auch den Aufwand für die Mechanik.

Die 3-Spiegel-Systeme sind den modifizierten 2-Spiegel-Systemen mit überzogenen Anforderungen an Bildfeld und Lichtstärke überlegen. Ein RCC-System erreicht bei Öffnungsverhältnissen von 1 : 4 bis 1 : 5 und einem Bildfeld von 2-3 Grad nur noch eine sehr mäßige Bildgüte. Für reine Himmelsüberwachung ist dies vielleicht noch ausreichend, aber nicht für eine Untersuchung von Detailobjekten.

Bei weniger strengen Vorgaben für die Bildgüte sind durchaus höhere Lichtstärken als 1 : 3, größeren Bildfelder als 3 Grad realisierbar. Der Grundaufbau dieser 3-Spiegel-Systeme (Beispiele) ändert sich dabei nur wenig.

Durch die Lage der Fokalebene im Gegenspiegelbereich ist die max. Größe des linearen Bildfeldes begrenzt, da es sonst zu übermäßigen Abschattungen des Gegenspiegels kommt. Mit steigender Lichtstärke nimmt jedoch der Feldwinkel bei gleicher linearer Größe zu, so daß nur die Bildgüte ein Anwachsen von Feld und Lichtstärke begrenzt. Hier muß entsprechend der Aufgabenstellungen für ein solches Teleskop eine Begrenzung der Parameter erfolgen.

Ein bekanntes 3-Spiegel-System ist ein modifiziertes RCC, hierbei steht die Gascoigne- Platte in Reflexion, der Fokus entsteht somit in der Nähe des Gegenspiegels. Wenn auch chromatische Bildfehler entfallen, ist die Feldgröße beschränkt, besonders bei zunehmender Lichtstärke. Die optische Leistungsfähigkeit des RCC mit der Gascoigne-Platte erreicht hier ihre Grenzen.

Die weiterhin bekannten technischen Lösungen erreichen nicht die hohen Lichtstärken von 1 : 4 bis 1 : 2,5, die Bildfelder liegen deutlich unter 2 Grad. Meist liegt die Fokalebene noch relativ unzugänglich zwischen den Spiegeln und bewirkt somit eine zusätzliche Vignette der Bündel.

Bei vielen dieser Systemtypen wurden lichtstarke Systeme nicht untersucht. Der in der Literatur untersuchte Bereich liegt von 1 : 15 bis bei 1 : 8 bestenfalls bis 1 : 6 Öffnungsverhältnis. Auch erfolgen die Untersuchungen oftmals nur mit Hilfe von Seidelrechnungen, bei welcher ja nur Bildfehler der 3. Ordnung erfaßt werden, aber gerade bei den lichtstarken Systemen treten die höheren Ordnungen der Bildfehler auf. Es wurden oft nur reine Kegelschnittsysteme untersucht (nur Seidelrechnungen, keine Bildfeldanalyse), also Flächenformen wie Sphäre, Parabel, Ellipse und Hyperbel. Auch wurde oftmals gefordert (und vorausgesetzt), der Hauptspiegel soll eine sphärische oder Parabelfläche aufweisen.

Die Angaben über die erreichte Bildgüte bezog sich oft nur auf die Seidelsummen. Eine Aussage über die geometrisch-optische Bildgüte, die Spotkonzentration wurde nicht gemacht.

Bei der Einführung einer zusätzlichen Deformation der Flächen, also die Hinzufügung eines Polynomgliedes zum Kegelschnitt, hat im Entwicklungsprozeß (der Optikrechnung) zur Folge, daß sich die den Kegelschnitt beschreibenden Parameter (Kegelschnittparameter oder Exzentrizität) stark ändern. So kann aus einer Hyperbel eine Ellipse mit Polynom-Parameter werden und umgekehrt. Deshalb wird bei solchen Flächen nur von überdeformierten Kegelschnitten gesprochen. Die Überdeformation erreicht nur Glieder bis Hˆ4 (Flächenordnung). Höhere Koeffizienten sind nicht (mit Ausnahmen) erforderlich, die Flächen sind somit noch mit modifizierten Offnersystemen prüfbar.

Für eine CCD ist ein Schutzfenster nötigt. Dies ist bei der optischen Konzeption der 3-Spiegel-Systeme bereits ein störendes optisches Element. Diese Scheibe ist zwar brechkraftlos (Planparallel-Platte), aber mit zunehmender Dicke tritt ein Farblängsfehler auf. Praktische Fensterdicken liegen bei 20-30 mm. Für die monochromatischen Abbildungseigenschaften ist die Platte zu vernachlässigen. Die Einflüsse der Glasdicke auf die Bildgüte (Öffnungsfehler) bedingt nur unbedeutende Änderungen der Konstruktionsparameter. Diese nehmen aber mit steigender Lichtstärke als auch zunehmender Plattendicke zu. Quarz ist hier als Material gut geeignet, aber auch optische Standard- und Filtergläser können zum Einsatz kommen. Eine Vergrößerung des Abstandes 2. Spiegelscheitel-Fokus ist für konstruktive Anpassung des CCD-Kamerasystems möglich (unproportionale Systemvergrößerung/verkleinerung).

Das Bildfeld und das Öffnungsverhältnis wird durch die Vignette an Spiegel 2 und 3 (Bündelgeometrie) begrenzt. Erhöhungen sind nur auf Kosten des jeweils anderen Parameters möglich (höhere Lichtstärke » kleines Feld; größeres Feld » kleinere Lichtstärke).

Bei letzteren ist zu beachten, daß mit der Feldgröße bei kleinerer Lichtstärke (= längere Brennweite) ein schnelles Anwachsen des linearen Bildfeldes zu verzeichnen ist, dies ist natürlich begrenzt, da sonst eine überproportionale zusätzliche Zentral-Vignette auftreten würde.

Die Bildgüte der Systeme mit einem Öffnungsverhältnis von ca. 1 : 2,5 ist bei einem Bildfeld von ca. 3,2 Grad gut. Bei einer weiteren Zunahme des Bildfeldes nimmt die Bildgüte schnell ab (für das ganze Bildfeld). Mit einer Einschränkung des Feldes kann somit die Bildgüte bei Beibehaltung des Öffnungsverhältnisses noch sehr verbessert werden, ggf. bis zur Nähe der Beugungsgrenze. Eine weitere Erhöhung des Öffnungsverhältnisses und des Bildfeldes ist nur mit einem entsprechenden Bildgüteabfall möglich. Auch die Vignette am Feldrand nimmt zu, eine photometrische Auswertung wird durch den Randlichtabfall aufwendiger.

Die Darstellung der Asphären erfolgt nach folgenden Gleichungen:

Rad/Rho
Scheitelradius/Krümmung
A/E	Kegelschnittparameter/Exzentrizität
Hnorm	Normierungshöhe der Polynomdarstellung
B1	1. Polynomkoeffizient (sphärische Anteil)
B2	2. Polynomkoeffizient (quadratischer Hˆ4 Anteil)
B3	3. Polynomkoeffizient (höhere Ordnung Hˆ6 Anteil)
Zp(hi)	Pfeilhöhe der Fläche in der Höhe hi

Rad = 1/Rho
Rho = 1/Rad
E = 1-2 _* A _* Rad
A = (E-1)/(-2 _* Rad)
B1 = (Hnorm _* Hnorm)/(2 _* Rad)
B2/B3 = beschreibt die Abweichung vom Kegelschnitt
h = hi/Hnorm
Po(hi) = B1 _* Hˆ2 + B2 _* hˆ4 + B3 _* hˆ6 = Zp(hi) für A=0 oder E=1
Zp(hi) = (2 _* Po(hi))/(1+SQR(1-4 _*A _*Po(hi)))

Beschreibung der Systeme und des Patentanspruchs

Diese Erfindung betrifft 3-Spiegel-Systeme, welche in ihrer Lichtstärke als auch im Bildfeld den Schmidt- und Slevogt-Systemen nahekommen, aber keine brechenden optischen Wirkflächen aufweisen. Ihre erreichbare Lichtstärke soll größer gleich 1 : 4 (1 : 6) sein, das erreichbare Bildfeld größer gleich 2 Grad und die Spotkonzentration besser als 20 µm (für 80% der Energie) bis zur Beugungsgrenze.

Ziel sind Öffnungsverhältnisse von um 1 : 3 und Bildfelder von um 3 Grad. Dabei soll eine sehr hohe Bildgüte erreicht werden (besser als 20 µm) bis Beugungsgrenze. Die Bildgüte soll über das ganze Feld nahezu gleich gut sein, d. h. es ist kein gravierender Abfall zum Feldrand hin erwünscht.

Weiterhin betrifft diese Erfindung 3-Spiegel-Systeme, die in ihrer Lichtstärke größer gleich 1 : 3 sind, das Bildfeld größer gleich 3 Grad und die Spotkonzentration besser als 25-30 µm (für 80% der Energie) bis zur Beugungsgrenze.

Ziel sind Öffnungsverhältnisse von um 1 : 2,5 und Bildfelder von um 3,2 Grad. Dabei soll eine hohe Bildgüte erreicht werden (besser als 20-30 µm).

Auch hier soll die Bildgüte über das ganze Feld nahezu gleich gut sein, d. h. es ist kein gravierender Abfall zum Feldrand hin erwünscht.

Mit den 3-Spiegel-Systemen nach Bauart 1B sind Öffnungsverhältnisse von bis ca. 1 : 2,5 möglich. Hierfür gibt es 2 Ansatzmöglichkeiten (Modifikationen). Diese sind aus der Hauptanmeldung ableitbar (Datensatz 1A und 1B).

Datensatz 1A System 1 : 4 2 Grad Hyperbelflächen

Datensatz 1B System 1 : 3 3 Grad Überdeformierte-Kegelschnitte

Datensatz 2A System 1 : 4 2 Grad Überdeformierte-Kegelschnitte

Datensatz 2B System 1 : 4 2 Grad Überdeformierte-Kegelschnitte

Datensatz 3A System 1 : 2,5 3,2 Grad überdeformierte Kegelschnitte

Datensatz 3B System 1 : 2,5 3,2 Grad Hyperbel und überdeformierte Kegelschnitte

3-Spiegel-System nach 1A (modifizierte Lage der Fokalebene) und 20 mm CCD-Fenster

3-Spiegel-System nach 2A/2B (modifizierte Lage der Fokalebene) und 20 mm SQ1 CCD-Fenster

Claims

Kommentare und Querverweise sind in Klammern gesetzt
(Die Datensätze sind in fortlaufender Folge nach den Patentansprüchen angeordnet) Datensatz 1A: 3-Spiegel-System 2500/10000 Bildfeld 2 Grad
Alle Spiegel sind Kegelschnittflächen. Die relative Lage von Spiegel 1 zu 3 und die relative Lage von Fokalebene zu Spiegel 2 kann in relativ großer Ordnung geändert werden (z. B. Fokalebene bis 500 mm vor Spiegelscheitel 2). = (lineare Vergrößerung bzw. Verkleinerung der Systeme in proportionaler und unproportionaler Form).
Sehr hohe Bildgüte und gutes Toleranzfeld (Kompakt-3-Spiegel-System).Datensatz 1B: 3-Spiegel-System 2500/7500 Bildfeld 3 Grad
Alle Spiegel sind überdeformierte Flächen, sonst wie System nach Datensatz 1A.Datensatz 2A: 3-Spiegel-System 2500/10000 Bildfeld 2 Grad
Alle Spiegel sind überdeformierte Flächen, Spiegel 3 weist eine kleinere freie Öffnung auf als Spiegel 2. Die relative Lage von Spiegel 1 zu 3 und die relative Lage von Fokalebene zu Spiegel 2 kann in relativ großer Ordnung geändert werden (z. B. Fokalebene bis 500 mm vor Spiegelscheitel 2). Sehr hohe Bildgüte und gutes Toleranzfeld (Kompakt-3-Spiegel-System).Datensatz 2B: 3-Spiegel-System 2500/10000 Bildfeld 2 Grad
Alle Spiegel sind überdeformierte Flächen, modifizierte Deformation, sonst wie 2A.Datensatz 3A: 3-Spiegel-System 2500/6250 Bildfeld 2 Grad
Alle Spiegel sind überdeformierte-Kegelschnitt-Flächen, also Flächen 4. Ordnung. Sonst wie System 1A/1B.Datensatz 3B: 3-Spiegel-System 2500/62500 Bildfeld 3.2 Grad
Der Hauptspiegel ist eine Hyperbel und die Spiegel 2/3 sind überdeformierte Flächen max. 6. Ordnung. Sonst wie System 1A/1B.Anspruch 1) 3-Spiegel-System nach Datensatz 1A und 1B
3-Spiegel-System mit einem Öffnungsverhältnis von 1 : 4 und einem Bildfeld von 2 Grad. Die Spiegel sind alle Hyperbelflächen. (Es wird nahezu beugungsbegrenzte Bildgüte erreicht (1A).
Mit überdeformierten-Kegelschnitt-Flächen lassen sich Öffnungsverhältnisse um 1 : 3 und Bildfelder von ca. 3 Grad erreichen (1B).Anspruch 2) 3-Spiegel-System nach Datensatz 2A und 2B
3-Spiegel-System mit einem Öffnungsverhältnis von 1 : 4 und einem Bildfeld von 2 Grad (2A und 2B).
Die Flächen sind wiederum überdeformierte Kegelschnitte (die relativen Durchmesser der Spiegel d. h. die Vignette ist günstiger als im Datensatz 1, dafür ist Bildfeld und Öffnungsverhältnis bei gleicher Bildgüte beschränkt).Anspruch 3) 3-Spiegel-System nach Anspruch 1 und 2
lineare Vergrößerung bzw. Verkleinerung der Systeme in proportionaler und unproportionaler Form.
Alle Modifikationen der Fensterdicke für eine CCD in Material und Dicke einschließlich Aufspaltung und Wegfall einer solchen Fensterscheibe.Anspruch 4) 3-Spiegel-System nach Anspruch 1, 2 und 3
für geometrisch analoge und ähnliche Flächenformen der Spiegel.Anspruch 5) 3-Spiegel-System nach Anspruch 1, 2 und 3
mit Abnahme der Öffnungsverhältnisse und Bildfelder nimmt der Anteil der Überdeformation immer mehr ab, es können nahezu reine Kegelschnittformen erreicht werden (System 1A).Anspruch E1) 3-Spiegel-System nach Datensatz 3A und 3B
3-Spiegel-System mit einem Öffnungsverhältnis von 1 : 2,5 und einem Bildfeld von 3,2 Grad.
Der Hauptspiegel ist eine Hyperbel, die Spiegel 2 und 3 überdeformierte-Kegelschnitt- Flächen mit max. 6. Ordnung. (3B) bzw. alle Spiegel sind überdeformierte Flächen mit max. 4. Ordnung (3A).Anspruch E2) 3-Spiegel-System nach Anspruch E1
lineare Vergrößerung bzw. Verkleinerung der Systeme in proportionaler und unproportionaler Form.
Alle Modifikationen der Fensterdicke für eine CCD in Material und Dicke einschließlich Aufspaltung und Wegfall einer solchen Fensterscheibe.Anspruch E3) 3-Spiegel-System nach Anspruch E1 und E2
für geometrisch analoge und ähnliche Flächenformen der Spiegel.Anspruch E4) 3-Spiegel-System nach Anspruch E1 bis E3
mit Abnahme der Öffnungsverhältnisse und Bildfelder nimmt der Anteil der Überdeformation immer mehr ab, es können nahezu reine Kegelschnittformen erreicht werden.