DE19925931C2 - Multi-Schiefspiegler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Multi-Schiefspiegler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, der dem Typ der Schiefspiegler-Teleskope zugeordnet werden kann. Diese Schiefspiegler- Teleskope dienen dazu, astronomische und terrestrische Beobachtungen durchführen zu können. Die verwendete Optik kommt ohne Zwischenbild aus und bedient sich rotationssymmetrischer, meistens sphärischer Spiegel, wobei auch ein Planspiegel zum Einsatz gelangt. Die Spiegelscheitel befinden sich dabei in einer gemeinsamen Ebene und die Spiegelnormalen sind gegen die optische Achse geneigt.

Die einfachste Form eines Schiefspieglers mit konkavem 1. Spiegel und konvexem 2. Spiegel ist von A. Kutter (Der Schiefspiegler, Verlag F. Weichert, 1953) angegeben worden. Durch Verkippung des 1. Spiegels entstehen axiale Bildfehler, hauptsächlich Koma und Astigmatismus, die sich durch geeignete Neigung, Abstände und Krümmungsradien der beiden Spiegel teilweise kompensieren lassen. Der verbleibende Bildfehler ist bei Öffnungen bis etwa 125 mm und einem typischen Öffnungsverhältnis von 1/20 kleiner als die entsprechende Beugungsscheibe. Für größere Schiefspiegler (ab 150 mm Öffnung) wird eine Korrekturlinse im Strahlengang (kata­ dioptischer Schiefspiegler nach A. Kutter, s. Telescope Optics, H. Rutten, M. von Venrooij, Verlag Willmann-Bell, 1988, S. 113) oder ein zusätzlicher konkaver Spiegel verwendet. Letzteres System, auch Tri-Schiefspiegler genannt, wurde von R. A. Buchroeder (siehe beispielsweise "Sterne und Weltraum" 1993, Heft 8/9, S. 647-651) entwickelt.

Eine weitere Lösung ist aus der Literatur von A. S. Leonhard bekannt. Er entwickelte ebenfalls eine 3-Spiegelvariante eines Schiefspieglers, den man auch als Solano-Reflektor bezeichnet (veröffentlicht in Advanced Telescope Making Technics, A. Mackintosh (ED), Verlag Willmann- Bell, 1986, Optics, Vol. 1, S. 231). Dieses System verwendet 2 konkave und einen konvexen Spiegel. Unterschiedliche Neigungen des konvexen Spiegels in Kombinartion mit einem zusätzlichen Planspiegel ermöglichen verschiedene Einblickrichtungen. Es können Paare von konvexen und konkaven sphärischen Spiegeln mit betragsmäßig gleichen Krümmungsradien verwendet werden, um den Aufwand zu reduzieren. Der konkave 1. Spiegel benötigt jedoch eine hyperbolische Gestalt (hoher Fertigungsaufwand) und es lassen sich nur Öffnungsverhältnisse kleiner als 1/15 realisieren. Eine kompaktere Bauweise schlägt E. Herrig lt. DE 196 49 841 A1 vor. Hier sind geringfügig geneigte Spiegel angeordnet, sodaß es zu zweimaliger Reflexion am 1. oder 2. Spiegel (oder an beiden) kommt. Es werden ein konvexer 1. Spiegel und ein konkaver 2. Spiegel und in einigen Varianten noch ein 3. Spiegel verwendet, um insgesamt 4 Reflexionen und eine abschattungsfreie Abbildung zu ermöglichen. Auch hier ist die Größe, insbesondere des konvexen Spiegels von Nachteil, da dieser bis zu 50% größer als die Eintrittsöffnung dimensioniert ist.

Gegenüber dem aus der DE 196 49 841 A1 bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen abschattungsfreien Multi-Schiefspiegler mit geringer Spiegelmasse und kleinen Spiegelradien bzgl. des konvexen Spiegels, verbunden mit dem sich daraus ergebenden verbesserten Auflösungsvermögen zu schaffen, dessen Baugröße auf ein ökonomisch und fertigungstechnisch noch günstigeres Maß reduziert ist und der auch bei großen Öffnungen für eine beugungsbegrenzte Abbildungsleistung korrigierbar ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Kennzeichen des ersten Anspruches genannten Merkmale gelöst.

Zu den Abb. 1a und 1b sind die Grundformen der Erfindung als Ausführungsbeispiele dargestellt, aus denen sich weitere Varianten gemäß der Abb. 2-9 (Design Nr. 1 bis 8) ableiten. Sie sollen nachfolgend erläutert werden.

Dabei wird im folgenden das Öffnungsstrahlenbündel als "Lichtbündel" bezeichnet.

Die Darstellung in Abb. 1a zeigt eine erste Grundform des Multi-Schiefspieglers. Zunächst fällt ein paralleles Lichtbündel (10) mit dem Hauptstrahl (00) auf einen konkaven Spiegel 1. Dieser ist so gegen die Einfallsrichtung geneigt, daß sich der Spiegel 2 außerhalb des einfallenden Lichtbündels (10) befindet und dieses deshalb nicht beeinflußt. Für die weiteren Reflexionen ergeben sich je nach Neigungswinkel des Spiegels 2 und dessen konvexe oder konkave Ausbildung verschiedene technische Ausführungsformen. Eine zweimalige Reflexion läßt sich entweder am Spiegel 1 oder am Spiegel 2 realisieren. Mit einem Spiegel 3 ergeben sich dann 4 Reflexionen. Die Nutzung der vorhandenen Freiheitsgrade bietet ausreichende Möglichkeiten der Bildfehlerkorrektur. In der v. g. Abbildung wird die zweimalige Reflexion am Spiegel 2 vorgenommen, welcher hier von konvexer Ausbildung ist und betragsmäßig etwa den gleichen Drehwinkel wie der Spiegel 1 aufweist und gegen die optische Achse geneigt ist. Letztere wird durch den Hauptstrahl (00) des parallelen Lichtbündels (10) gebildet und verbindet die Scheitelpunkte der Spiegelreflexionsflächen miteinander. Die Spiegelneigungen α erfolgen um diese Scheitelpunkte und werden zwischen der Scheitelnormalen und der optischen Achse gemessen. Die Strahlenablenkung ergibt sich damit zu 2α. Die Neigungen werden in der gemeinsamen Ebene aller Spiegelscheitel und des Fokus ausgeführt. Nach der Reflexion am Spiegel 2 gelangt das Lichtbündel zum Spiegel 3, der sich vorzugsweise in der Nähe des Spiegels 1 befindet.

Die Neigung des Spiegels 3 ist in diesem Fall nur gering und es fällt damit das Lichtbündel auf einen dezentralen Flächenbereich des Spiegels 2 zurück. Die Reflexionsbedingung sieht anschließend eine Ablenkung des Lichtbündels in einen von einfallenden Lichtstrahlen unberührten Raum vor, der auf der anderen Seite des parallelen Lichtbündels (10) liegt. Dieses konvergente Lichtbündel wird am Spiegel 1 vorbeigeführt und gelangt in dessen Nähe zur Fokussierung. Die Konstruktion erlaubt einen abschattungsfreien Strahlengang und eine Einblickrichtung, die nahezu einem Refraktor entspricht. Die Bildfehlerkorrektur gelingt bei dieser Kombination mit dem konkaven, parabolischen Spiegel 3. Weitere Ausgestaltungen der Grundform in Abb. 1a werden in den Abb. 2 bis 6 (Design Nr. 1 bis 5) dargestellt.

In Abb. 1b wird die zweite Grundform des Multi-Schiefspieglers dargelegt. Diese ergibt sich, wenn die Neigung des Spiegels 2 so gering ausfällt, daß das konvergente Lichtbündel auf einen dezentralen Flächenbereich des Spiegels 1 fällt. Die zweite Refexion am Spiegel 1 führt zu einer Ablenkung des Lichtbündel in den von den einfallenden Lichtstrahlen unberührten Raum. Dort befindet sich der Spiegel 3 mit einem Neigungswinkel von etwa 45°, der eine 4. Reflexion ausführt und sich dabei in der Nähe des Spiegels 2 befinden kann. Das Lichtbündel gelangt dann anschließend zur Fokussierung. Diese Grundform erlaubt ein abschattungsfreies Teleskop mit einer Umlenkung des Lichtbündels um 90°, analog zum Lichtweg im Newton-Teleskop. In diesem Sinne eignen sich in vorteilhafter Weise die bei Newton-Teleskopen benutzten Mon­ tierungen und Stative zur Aufstellung des Multi-Schiefspieglers. Bildfehlerkorrekturen können in der v. g. Grundform mit dem Spiegel 3 (konvex) erreicht werden. Der Spiegel 2 kann dabei konkav (s. Abb. 8 (Design Nr. 7) und Abb. 9 (Design Nr. 8) oder planar, Abb. 7 (Design Nr. 6)) ausgebildet sein. Der große Neigungswiukel des Spiegels 3 ergibt allerdings größere Bildfehler und eine höhere Bildfeldneigung als bei Einrichtungen gemäß Abb. 1a.

In Abb. 2 (Design Nr. 1) wird eine Variante der Grundform nach Abb. 1a dargestellt, wobei der Multi-Schiefspiegler eine Öffnung von 200 mm besitzt und einen sphärischen, konkaven Spiegel 1 und einen sphärischen, konvexen Spiegel 2 aufweist. Der Spiegel 2 ist dabei so geneigt, daß das Lichtbündel auf den Spiegel 3 gelenkt wird, der sich in der Nähe des Spiegels 1 befindet. Der Spiegel 3 ist dabei von konkaver, parabolischer Gestalt, wodurch eine Korrektur der sphärischen Abberation des Lichts erreicht wird. Die Spiegel 2 und 3 befinden sich bzgl. des Objektlichts auf der gleichen Seite. Der Spiegel 3 besitzt eine nur geringe Neigung bzgl. der optischen Achse und reflektiert das Lichtbündel zurück auf einen dezentralen Bereich des Spiegels 2. Von dort gelangt es seitlich am 1. Spiegel vorbei zur Fokussierung. Es können Blenden B vor der Fokussierung zur Beschränkung von Streulicht vorgesehen werden. Die eingesetzten Spiegel können neben der bis hierher vorgeschlagenen sphärischen Oberflächengestalt, beispielsweise auch elliptische oder hyperbolische Gestalt besitzen. Aufgrund der Neigung des Spiegels 3 muß der konvexe Spiegel 2 etwas größer dimensioniert werden als für die Erfassung des Lichtbündels nötig ist. Damit besitzt der Spiegel 2 einen etwa um 7% größeren Durchmesser als der Spiegel 1. Die Krümmungsradien der Spiegel 1 und 2 sind hier betragsmäßig gleich. Das zugehörige Spotdiagramm ist für ein Bildfeld von 1° berechnet und zeigt eine beugungsbegrenzte Abbildungsqualität.

Das Ausführungsbeispiel in Abb. 3 (Design Nr. 2) variiert ebenfalls die Grundform nach Abb. 1a und bedient sich verschiedener Krümmungsradien der Spiegel 1 und 2. Die Einrichtung besitzt bei einer Öffnung von 600 mm und einem Bildfeld von 0,50 noch eine hohe Abbildungsqualität gemäß einem beigefügten Spotdiagramm. Damit ergibt diese Kombination in ihrer Realisierung besonders leistungsfähige Instrumente, die insbesondere für Forschungszwecke geeignet sind. Die Neigung des Bildfeldes ist mit 1,3° als gering anzusehen. Instrumente dieser Ausführung können eine kreisförmige Eintrittsöffnung von der Größe des Hauptspiegels besitzen, die sich dann oberhalb des Spiegels 2 befinden sollte. Ringförmige Blenden B und der Spiegel 3, analog wie Abb. 2 (Design Nr. 1) sowie in der Nähe des Fokus vermindern Streulichteinflüsse.

Die Abb. 4 (Design Nr. 3) zeigt eine weitere Variante nach der Grundform der Abb. 1a, wobei der Abstand zwischen den Spiegeln 2 und 3 eine verkürzte Distanz aufweist. Die Korrektur der Bildfehler erfordert hier einen hyperbolischen Spiegel 1 und einen sphärischen, konvexen Spiegel 2 mit großem Krümmungsradius. Die Ausführung in Abb. 5 (Design Nr. 4) geht auch auf die Grundform der Abb. 1a zurück. Dabei erfolgt die Neigung des Spiegels 3 in umgekehrtem Drehsinn. Nach zweimaliger Reflexion am Spiegel 2 wird das Lichtbündel zwischen den Spiegeln 1 und 3 hindurch zum Fokus geführt. Diese Kombination erlaubt die Konzipierung von kompakten und besonders langbrennweitigen Instrumenten. Alle Spiegel besitzen sphärische Gestalt.

Eine weitere Ausführung in Anlehnung an die Grundform der Abb. 1a bietet die Abb. 6 (Design Nr. 5) an. Im Gegensatz zu den Beispielen der Abb. 2 bis 5 (Design Nr. 1 bis 4) erfolgt hier die Neigung des Spiegels 2 in umgekehrtem Drehsinn. Damit befinden sich der Spiegel 2 und der Spiegel 3 auf gegenüberliegenden Seiten hinsichtlich des Objektlichtes. Das Licht wird zwischen dem Spiegel 1 und Spiegel 3 zum Fokus geführt. Die Spiegel 1 und 2 sind hier sphärisch und der Spiegel 3 elliptisch ausgebildet. Die Bildfeldneigung liegt bei 7,2°.

Die Abb. 7 (Design Nr. 6) zeigt eine Ausführungsvariante des Multi-Schiefspieglers nach der Grundform der Abb. 1b.

Der Spiegel 1 ist von konkaver, sphärischer Gestalt. Der Spiegel 2 ist hier planar und nur geringfügig geneigt. Damit gelangt das Licht zurück auf einen dezentralen Bereich des Spiegels 1 und wird erneut reflektiert. Der Spiegel 1 besitzt einen etwa 23% größeren Durchmesser als die Eintrittsöffnung. Nach der 3. Reflexion gelangt das Lichtbündel zu einem um -45° geneigten, konvexen, sphärischen Spiegel 3, der es zum Fokus lenkt. Die Spiegel 1 und 3 besitzen hier dem Betrage nach gleiche Krümmungsradien.

Eine weitere Ausführungsvariante mit 200 mm Öffnung nach der Grundform in Abb. 1b wird in Abb. 8 (Design Nr. 7) beschrieben. In diesem Fall wird statt des planaren Spiegels 2, s. Abb. 7 (Design Nr. 6), ein konkaver Spiegel verwendet. Alle Spiegel sind sphärisch gestaltet und besitzen unterschiedliche Krümmungsradien. Der Spiegel 1 benötigt aufgrund der zweimaligen Reflexion einen Durchmesser, der die Eintrittsöffnung um 12,5% übertrifft. Abb. 9 (Design Nr. 8) zeigt eine weitere Variante der Grundform in Abb. 1b mit 200 mm Öffnung und einem Öffnungsverhältnis 1/20.2. Die Neigung des Spiegels 2 erfolgt hier in umgekehrtem Drehsinne wie die des Spiegels 1. Der konvexe Spiegel 3 befindet sich in der Nähe des Spiegels 2. Die Spiegel 1 und 3 besitzen hier betragsmäßig gleiche Krümmungsradien und sind von sphärischer Gestalt. Eine kreisförmige Blende zur Begrenzung des Öffnungsdurchmessers wird bei den Varianten nach Abb. 7 bis 9 (Design Nr. 6 bis 8) zweckmäßigerweise oberhalb des Spiegels 3 angebracht. Aufgrund der größeren axialen Bildfehler und der Bildfeldneigungen eignen sich diese Ausführungen bevorzugt für kleine Öffnungen.

Zusammenfassend lassen sich die besonderen Vorteile des Multi-Schiefspieglers wie folgt beschreiben:

• - Mit einfachen, sphärischen und parabolischen Spiegelflächen lassen sich freie Öffnungen von mehr als 600 mm Durchmesser realisieren. Die Bildfeldneigung bleibt dabei gering.
• - Vielfach können Paare konvexer und konkaver Spiegel mit betragsmäßig gleichen Krümmungsradien verwendet werden.
• - Verschiedene Ausführungsvarianten erlauben eine variable Einblickrichtung.
• - Kompakte Bauweise.
• - Herstellung von relativ lichtstarken Instrumenten (bis 1/9).

Ergänzend sollen folgende Anmerkungen vorgenommen werden:

Die angegebene Reflexions-Nr. zählt die Abfolge der Reflexionen, während die Spiegel-Nr. aussagt, an welchem Spiegel die Reflexion stattfindet. Die Spiegel sind in den Abbildungen mit der Spiegel-Nr. versehen. Bei den angegebenen Spiegeldurchmessern ist die größere Reflexionsfläche bei Doppelnutzung und aufgrund des geforderten Bildfeldes berücksichtigt. Der in den Datentabellen angegebene Abstand wird entlang der optischen Achse zwischen den Scheiteln der jeweiligen Reflexionsflächen gemessen. Der Abstand ist immer von der aktuellen Reflexionsfläche bis zur nächsten angegeben. Eine Ausnahme ist der Abstand nach der 4. Refle­ xion, der die Distanz von der 4. Reflexionsfläche bis zum Fokus angibt. Krümmungsradien konkaver Flächen werden mit negativem Vorzeichen versehen, Radien konvexer Flächen mit positivem. Nach links drehende Spiegelneigungen werden negativ, rechts drehende positiv gezählt. Die Kegelschnittkonstante c definiert die rotationssymmetrische Oberflächengestalt des Spiegels. Es gilt der Zusammenhang: c = -(Exzentrizität)². Die dargestellten Spotdiagramme beschreiben die Abbildung eines Bündels von Parallelstrahlen in der Fokalebene für achsennahe Strahlen (zentraler Spot) und für 8 außeraxiale Parallelstrahlenbündel aus unterschiedlichen Richtungen, die eine Winkeldivergenz von 0,5 × Bildfeld von der optischen Achse aufweisen. Die meridionale Richtung entspricht einer waagerechten Linie durch den Zentralspot, die sagittale und tangentiale einer Senkrechten. Die zweifache Beugungsscheibe (2 AD) ist in allen Spot­ diagrammen einmal durch einen maßstäblichen Kreis gekennzeichnet. Deren Durchmesser in mm ist zusätzlich angegeben. Die Abbildungsebene des Spotdiagrammes ist entsprechend der mittleren Bildfeldneigung geneigt.

Nachfolgende Datentabellen sollen die Erfindung in ihrer Ausführung verdeutlichen: Design Nr. 1: 200 mm Öffnung, 1/13,1
Bildfeldneigung tangential 1.3°
Bildfeldneigung sagittal 1.2°
Anamorphe Verzeichnung 0.8%
alle Längenangaben in mm, Winkel in Grad, Vorzeichen siehe Definitionen

Design Nr. 2: 600 mm Öffnung, 1/13,9
Bildfeldneigung tangential 1.1°
Bildfeldneigung sagittal 1.3°
Anamorphe Verzeichnung 0.9%
alle Längenangaben in mm, Winkel in Grad, Vorzeichen siehe Definitionen

Design Nr. 3: 150 mm Öffnung, 1/10,6
Bildfeldneigung tangential 2.4°
Bildfeldneigung sagittal 0.9°
Anamorphe Verzeichnung 0.5%
alle Längenangaben in mm, Winkel in Grad, Vorzeichen siehe Definitionen

Design Nr. 4: 150 mm Öffnung, 1/35,2
Bildfeldneigung tangential 2.7°
Bildfeldneigung sagittal 2.5°
Anamorphe Verzeichnung 0.2%
alle Längenangaben in mm, Winkel in Grad, Vorzeichen siehe Definitionen

Design Nr. 5: 140 mm Öffnung, 1/16
Bildfeldneigung tangential 7.2°
Bildfeldneigung sagittal 2.1°
Anamorphe Verzeichnung 0.3%
alle Längenangaben in mm, Winkel in Grad, Vorzeichen siehe Definitionen

Design Nr. 6: 125 mm Öffnung, 1/19,6
Bildfeldneigung tangential 6.1°
Bildfeldneigung sagittal 5.0°
Anamorphe Verzeichnung 5.3%
alle Längenangaben in mm, Winkel in Grad, Vorzeichen siehe Definitionen

Design Nr. 7: 200 mm Öffnung, 1/20,6
Bildfeldneigung tangential 6.5°
Bildfeldneigung sagittal 4.4°
Anamorphe Verzeichnung 4.9%
alle Längenangaben in mm, Winkel in Grad, Vorzeichen siehe Definitionen

Design Nr. 8: 200 mm Öffnung, 1/20,2
Bildfeldneigung tangential 6.2°
Bildfeldneigung sagittal 1.0°
Anamorphe Verzeichnung 2.0%
alle Längenangaben in mm, Winkel in Grad, Vorzeichen siehe Definitionen

Claims (4)

1. Multi-Schiefspiegler mit 3 Spiegeln, bei denen die Scheitellote der Reflexionsflächen in einer gemeinsamen Ebene liegen und jeweils gegen den Mittelstrahl des einfallenden Strahlenbündels geneigt sind, wobei der zweite Spiegel außerhalb des auf den ersten (gegenstandsseitigen) Spiegel einfallenden Strahlenbündels liegt und durch Doppelnutzung des zweiten oder ersten Spiegels die Eigenschaften eines 4-Spiegelteleskops erzielt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und dritte Reflexionsfläche konkav sind und die vierte Reflexion an einer konvexen Reflexionsfläche erfolgt.

2. Multi-Schiefspiegler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Spiegel (2) zweimal zur Reflexion genutzt wird.

3. Multi-Schiefspiegler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spiegel (1) zweimal zur Reflexion genutzt wird und die Reflexionsfläche des zweiten Spiegels (2) konkav oder plan ist.

4. Multi-Schiefspiegler nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsflächen rotationssymmetrisch sind.