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Teleskop - Technik
Der Schiefspiegler aus optischer Sicht
Schiefspiegler sind Spiegelfernrohre mit gegeneinander verkippten Spiegeln, wobei der Strahlengang Z- bzw. X-förmig verläuft. Diese Bauform erlaubt ein Bild ohne Abschattungen durch Fangspiegel und Halterung (unobstruierter Strahlengang), was Bilddefinition und Kontrastleistung im Vergleich zu herkömmlichen Teleskopsystemen signifikant verbessert.
Das Vermeiden der schädlichen Obstruktion erhöht die Auflösung (Detailschärfe) dieser Optik auf die eines Cassegrain-Teleskops mit ca. 30% höherer Öffnung.
Die Kontrastleistung eines Schiefspieglers ist mit der eines apochromatischen Linsenfernrohrs vergleichbar, wobei - wegen der Ausnutzung des physikalischen Effekts der Reflexion im Gegensatz zur Lichtbrechung - völlige Achromasie (Farbfehlerfreiheit) gegeben ist
Der Kutter-Schiefspiegler
Anton Kutter (13.6.1903 - 1.2.1985)
Der Schiefspiegler nach Anton Kutter stellt eine Abwandlung des Cassegrainschen Reflektors dar, wobei Kutters optische Konstruktion von einer exzentrisch in die Öffnung des Cassegrains eingebrachten Blende (z.B. wie zur Sonnenbeobachtung verwendet) ausgeht. Aus diesem Z-förmigen Strahlengang als Ausgangspunkt entwickelte er seinen Schiefspiegler.
Durch das Verkippen der Spiegel treten als Fehler Koma, Astigmatismus und Öffnungsfehler auf, die berichtigt werden müssen.
150mm Schiefspiegler nach Kutter
Ab einer gewissen Größe der Öffnung gehen diese Fehler nicht mehr in der Beugungsbegrenzung unter so dass eine zusätzliche Keil-Linse in den Strahlengang eingeführt werden muss. Teleskope, bei denen sowohl Spiegel als auch Linsen an der Bildentstehung beteiligt sind, nennt man "katadioptrische Teleskope".
In seinem Buch "Der Schiefspiegler" entwickelte Anton Kutter zwei einfach zu fertigende Varianten, bei denen entweder die Koma oder der Astigmatismus minimiert sind.
Kutters genialer Ansatz war, zwei Spiegel gegensätzlicher Krümmung zu verwenden, die zu Bildfehlern mit entgegen gesetztem Vorzeichen führen. Die verbleibende Freiheit, einen geeigneten Reflexionswinkel für den Fangspiegel zu wählen, führt entweder zu astigmatischer bzw. zu Koma-Kompensation.
- Die anastigmatische Anlage
Zwei sphärische Spiegel von relativ langer Brennweite und ein geeigneter Kippwinkel des Fangspiegels ergeben die vollständige Kompensation des Astigmatismus. Die dabei entstehende Koma ist so gering, dass sie im Beugungsscheibchen verschwindet (beugungsbegrenzte Optik). - Die komafreie Anlage
Ein günstiger Kippwinkel des Fangspiegels führt zu Komafreiheit, aber auch zu einer erheblichen Überkorrektur des Astigmatismus. Eine justierbare Korrekturlinse zwischen Fangspiegel und Brennpunkt kompensiert den erzeugten Astigmatismus.
Durch ein langes Öffnungsverhältnis (typisch ist 1:20 und mehr) werden die Abbildungsfehler beim Kutter klein gehalten, so dass dieses Spiegelteleskop insbesondere am kontrastarmen Planeten (z.B. Wolkenbänder des Jupiter) hervorragende Abbildungsleistung entwickelt.
Sowohl Hauptspiegel als auch Sekundär-Spiegel sind sphärisch, letzterer konvex.
Der Erfinder dieses Spiegelteleskops hatte sich zu Anfang seiner Entwicklung sehr ausführlich mit den Schriften zum Thema "Refractor versus Reflector" auseinandergesetzt, sowie mit Herschels Front View Telescope, mit dem Brachyt von Forster und Fritsch, mit Bernhard Schmidt´s Horizontalspiegel F/106 und mit den Untersuchungen an Fangspiegelstreben eines Professor Couder.
Nachstehende Auszüge aus Anton Kutters Vortrag, "Mein Weg zum Schiefspiegler", herausgegeben durch die Schweizerische Astronomische Gesellschaft, "Astro Amateur", Rascher Verlag, Zürich and Stuttgart, sollen die Zusammenhänge um den Effekt der definitionsvermindernden Silhouettierung vermitteln, indem zunächst die Beugungsfigur eines gegebenen Objektiv-Durchmessers ohne Störung durch Fangspiegel und seine Haltestreben betrachtet wird:
Das "theoretische Auflösungsvermögen" (nach Kutter: "theor. Definition") ergibt sich aus dem radius "ro" vom Zentrum des ungestörten Beugungsscheibchens zur Mitte des ersten dunklen Rings: ro = 138 Bogensekunden / Objektiv-Durchmesser in Millimeter.
Abbildung 1 zeigt, dass der Löwenanteil des zum Beugungsbild formierten Sternenlichts aus punktförmiger Lichtquelle im zentralen, ungestörten Beugungsscheibchen liegt, demgegenüber die Intensitäten des zweiten und dritten Rings relativ gering sind.
Im Sinne maximal erzielbarer Auflösung sind wir als astronomischer Beobachter einer punktförmigen Lichtquelle nur an dem zentralen Scheibchen interessiert, weil nur dieses das kleinste Abbild des Sterns liefert. In ihm sammeln sich 83.9 % des einfallenden Lichts, 16,1% der Energie verteilen sich auf die äußeren Ringe, die man als kontrastmindernden Verlust ansehen muß. Das Verhältnis zwischen Gewinn- und Verlustsaldo wird als der Kontrast-Faktor bezeichnet, der im Idealfall also 83,9 zu 16,1 , damit 5,2 beträgt.
Abbildung 2: Im Verlauf des genannten Artikels wird auf die Untersuchungen der Störung von Fangspiegel und seinen Streben eingegangen. Mittels Abbildung 2 erläutert Kutter am Beispiel eines 150 mm Newton-Spiegels des Öffnungsverhältnis F/8 mit der kleinen Fangspiegelachse 30 mm, dass aufgrund dieser 20%-Abschattung das Kontrastverhältnis auf den Wert 3,2 absinkt (ohne Berücksichtigung der Streben, also mit planparalleler Glasplatte im Strahlengang, die den Fangspiegel hält).
Bei einem Cassegrain (oder Maksutov) werden die Verhältnisse noch kritischer: Bei typisch 33% Abschattung durch den Gegenspiegel geht der Kontrast-Faktor auf 1,9 zurück, bei Verwendung einer vierarmigen Fangspiegelstrebe sogar auf den Wert 1,7, d.h. auf ca. ein Drittel des Idealwerts.
Wie man erkennt, verlagert sich der Lichtanteil des zentralen Beugungsscheibchens mit fortschreitender Abschattung immer mehr in die umgebenden Beugungsringe (Kutter nennt das "verlorenes Licht"), und im Falle des Cassegrain ist die Helligkeit des ersten Beugungsrings soweit angeschwollen, dass ein auf den vollen Durchmesser des ersten Beugungsrings vergrösserter Bildpunkt vorgetäuscht wird.
Dies stimmt mit den Erfahrungen vieler Kritiker des obstruierten Spiegelteleskops überein: Dass man nämlich, um dieselbe Definition zu erhalten, wie an einem Refraktor, dem Spiegelteleskop eine ca. 30% grössere Öffnung geben müsse.
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Der Yolo-Schiefspiegler
Der Yolo-Schiefspiegler ist ein von Arthur Leonard (gest. 2001) entworfenes Hochleistungs-Spiegelsystem. Der Name kommt von A. Leonards Lieblings-Ferienregion in Kalifornien.
Ein Yolo besteht aus zwei langbrennweitigen Konkavspiegeln, die gegeneinander verkippt sind. Dadurch liegt der Sekundärspiegel außerhalb der Eintrittspupille, d.h. das System ist unobstruiert (nicht abgeschattet).
150mm Yolo-Schiefspiegler
nach Arthur S. Leonard
Die durch die Kippung entstehenden Bildfehler (Koma und Astigmatismus) werden durch geeignete Deformation der Spiegel vollkommen behoben, ebenso der Öffnungsfehler.
In der optischen Konstruktion nach Leonard ist der Primärspiegel hyperbolisch, der Sekundärspiegel besitzt eine Toroidfläche (eine konkave Fläche mit zwei verschiedenen Krümmungsradien in senkrecht zueinander stehenden Achsen).
Durch mechanische Verformung per zwangsweiser Krafteinleitung kann man eine sphärische Fläche zum Toroiden krümmen. Schwieriger, aber die technisch bessere Lösung ist es, den Übergang von der Sphäre zum Toroiden durch eine spezielle Politur (figuring) zu vollziehen.
Das Yolo-Design hat gegenüber dem traditionellen Schiefspiegler nach Kutter ein größeres Öffnungsverhältnis von ca. 1:10 bis 1:15.
Die Baulänge eines Yolos ist mit der des Kutter-Schiefspieglers vergleichbar .
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