DE29817048U1 - Solano-Schiefspiegler - Google Patents

Description

Beschreibung
Solano-Schiefspiegler

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung von 4 Reflexionsspiegeln in Form eines Spiegelteleskops, daß sich für astronomische Zwecke eignet. Es handelt sich um eine abbildende Optik ohne Zwischenbild, die 3 rotationssymmetrische, zumeist sphärische Spiegel und einen Planspiegel verwendet. Alle Spiegelscheitel befinden sich in der gemeinsamen Meridionalebene und die Spiegelnormalen sind gegen die optische Achse geneigt. Bei dem einfachsten Spiegelteleskop nach Newton (K. Wenske, Spiegeloptik, Verlag Sterne und Weltraum (1978)) trifft das einfallende parallele Lichtbündel zunächst auf einen konkaven, parabolischen Hauptspiegel und wird vor einer Fokussierung noch durch einen Sekundärspiegel (Planspiegel) um 90° umgelenkt. Damit ist die Einblickrichtung des Beobachters senkrecht zur Einfallsrichtung des Lichtbündels orientiert. Dies erlaubt den Aufbau des Instruments auf relativ niedrigen Montierungen.

Zudem können auch Stative geringer Höhe verwendet werden oder in die Konstruktion der Montierung integriert werden. Der Sekundärspiegel und die erforderlichen Haltestreben bewirken jedoch eine zentrale Abschattung des einfallenden Lichtes und zudem erhebliche Beugungseffekte (zentrale Obstruktion). Letztere bewirkt eine Reduktion des Bildkontrastes und der Auflösung des Instruments (W. Zmek, Sky & Telescope Nr. 7, Seite 91

(1993) und Nr. 9, Seite 83 (1993)). Gerade diese Eigenschaften sind besonders bei der Beobachtung detailreicher und kleiner Strukturen (Mond, Planeten, Doppelsterne) erforderlich. Durch eine Verkippung des Hauptspiegels läßt sich der Sekundärspiegel außerhalb des einfallenden Lichtbündels anordnen und damit eine zentrale Obstruktion vermeiden. Durch die Verkippung des Hauptspiegels entstehen erhebliche Bildfehler, hauptsächlich Koma und Astigmatismus, die sich durch geeignete Neigungen, Abstände und Krümmungsradien der Spiegel zumindest teilweise kompensieren lassen und bei kleinen Öffnungen optisch nicht wahrnehmbar sind. Um die Bildfehler zu korrigieren muß der Sekundärspiegel eine konvexe oder konkave Form erhalten. Systeme mit konkaven Sekundärspiegel, die eine Strahlumlenkung von 90° realisieren sind als Yolo-Newton bekannt (Sasian J. M., Sky & Telescope Nr.3, Seite 320 (1991)). Da alle YoIo-Spiegelsysteme jedoch eine spezielle Spiegeldeformation benötigen (keine Rotationssymmetrie), werden sie hier nicht weiter betrachtet.

Das einfachste obstruktionsfreie Spiegelsystem mit einem konkaven Hauptspiegel (1.

• ·

Spiegel) und einem konvexen 2. Spiegel erreicht eine Korrektur der neigungsbedingten Bildfehler mit einfachen sphärischen Spiegelflächen und ist von A. Kutter (Der Schiefspiegier, Verlag F. Weichhardt, Biberach a.d.Riß (1953) und Sky & Telescope Nr. 12, Seite 65 (1958)) entwickelt worden. Bei diesem System erfolgt nur eine geringe Lichtumlenkung zum Beobachter, so daß der Aufbau nahezu dem eines Refraktors (Linsenfernrohr) entspricht (H. Oberndorfer, Fernrohr-Selbstbau, Verlag Sterne und Weltraum, München (1997)). Größere Schiefspiegler ab etwa 150 mm Öffnung verwenden für die Bildfehlerkorrektur eine zusätzliche Korrektorlinse vor dem Fokus (katadioptischer Schiefspiegler nach A. Kutter, siehe Telescope Optics, H. Rutten, M. van Venrooij, Verlag Willmann-Bell, (1988), S.113) oder es wird ein weiterer konkaver Spiegel in das System eingefügt. Letzteres System ermöglicht eine Lichtumlenkung von 90° und wird als Tri-Schiefspiegler bezeichnet. Es ist von R. A. Buchroeder ( siehe Design Examples of TCT's, OSC Technical Report #68, University of Arizona, Mai (1971), S. 19 ) und von A. Kutter (siehe Sky and Telescope (1975), 1, S. 46) entwickelt worden. Eine weitere &Mgr;&Igr; 5 Schiefspiegler-Variante, bei dem eine Lichtumlenkung von mehr als 90° zum Beobachter erfolgt, ist von R. Sand zum Patent angemeldet (Offenlegungschrift DE 4426 224 Al).

Eine verbesserte optische Korrektur, mit der sich auch große Öffnungen von etwa 1 m realisieren lassen, läßt sich mit 4 Reflexionen unter Verwendung eines konkaven 3. Spiegels und eines Planspiegels für die 4. Reflexion erreichen und ist von M. Brunn in DE 3943258 C2 beschrieben worden (Tetraschiefspiegler).

A.S. Leonard hat eine weitere 3-Spiegel-Variante eines Schiefspieglers entwickelt, die als Solano-Refiektor bezeichnet wird (siehe Ref. 1: Advanced Telescope Making Techniques, ed. A. Mackintosh, Willmann-Bell Inc., Richmond, (1986), Optics, Vol. 1, S. 231). Dieses System verwendet 2 konkave Spiegel und für die 3. Reflexion einen konvexen Spiegel. Der Solano-Refiektor erlaubt durch unterschiedliche Neigungen und durch Hinzufügen eines Planspiegels für eine 4. Reflexion verschiedene Einblickrichtungen (siehe Ref. 1, Seite 233/234). Damit können Anordnungen realisiert werden, die vom Aufbau her einem Refraktor (0° Lichtumlenkung) oder einem Newton-Teleskop (90° Lichtumlenkung) entsprechen. Die von A.S. Leonard angegebenen Konstruktionen (siehe Ref. 1, Seite 232, Tabelle 1) verwenden Paare von konvexen und konkaven sphärischen Spiegeln mit gleichen Krümmungsradien für das 2. und 3. optische Element. Diese Dimensionierung vereinfacht die Spiegelherstellung. Der konkave Hauptspiegel benötigt jedoch eine hyperbolische Kurvenform und einen Krümmungsradius von mehr als 10 m.

Der Tri - und Tetra-Schiefspiegler, sowie das Solano-Teleskop erlauben eine

Einblickrichtung senkrecht zum einfallenden parallelen Lichtbündel und stellen eine obstruktionsfreie Alternative zum Newton-Teleskop dar. Im Vergleich zum Newtonteleskop besitzen die genannten Systeme allerdings eine relativ große Baulänge und eine deutlich geringere Lichtstärke. Das Newton-Teleskop besitzt typische Blendenwerte im Bereich von 4-8 und eignet sich aufgrund der hohen Lichtstärke besonders für lichtschwache Objekte. Die obstruktionsfreien Spiegelsysteme besitzen hingegen Blendenwerte von 15-20 und sind damit eher auf lichtstarke Beobachtungsobjekte angewiesen.

Die Zeichnung des Strahlengangs in Abb. 1 zeigt die Konstruktion des Solano-Schiefspieglers, wie er aus der Literatur bekannt ist (siehe Ref. 1, S. 231). Zunächst fällt ein paralleles Lichtbündel (10) mit dem Hauptstrahl (00) auf einen konkaven 1. Spiegel (Sl), der vorzugsweise hyperbolisch geformt ist. Der Hauptstrahl definiert die optische Achse des Systems. Der 1.Spiegel (Sl) ist derart gegen die Einfallsrichtung geneigt, daß sich der 2. Spiegel (S2) außerhalb des einfallenden Lichtbündels befinden kann, um dieses nicht abzuschatten. Der 2. Spiegel (S2) ist ebenfalls konkav (vorzugsweise sphärisch) und lenkt das konvergente Lichtbündel zum 3. Spiegel (S3), der konvexe Form besitzt (vorzugsweise sphärisch) und sich in der Nähe des 1. Spiegels (Sl) befindet. Während der 1. Spiegel (Sl) und der 2. Spiegel (S2) nur geringfügig geneigt sind, kann der 3. Spiegel (S3) je nach Auslegung der Optik hohe Neigungswinkel besitzen und damit eine Lichtumlenkung von 90° bewirken (Newton-Anordnung). Das Licht erzeugt im Fokus (F) eine reelle Abbildung des Objekts. Durch Hinzufügen eines Planspiegels für eine 4. Reflexion lassen sich beliebige Umlenkungen zum Beobachter (0° - 90°) realisieren, um vorzugsweise eine Refraktor - oder Newton-Anordnung zu erhalten (siehe Ausführungsbeispiele in Abb. 2 und 3). Im allgemeinen werden 4 Reflexionen (gegenüber 3 Reflexionen) bevorzugt, um ein astronomisch orientiertes Bild zu erhalten.

In der Abb. 2 ist das von A. S. Leonard in Ref. 1 (Seite 232, Tabelle 1, Modifikation C) angegebene Solano-Teleskop mit 90° Umlenkung durch einen Planspiegel zusammen mit den optischen Daten und dem entsprechenden Spotdiagramm dargestellt. Das dargestellte Spotdiagramm wurde für ein Bildfeld von 0.5° berechnet. Es stellt die Durchstoßpunkte eines in der Abbildungsebene fokussierten Parallelstrahlenbündels dar. Letzteres fällt mit einer Neigung von 0° und 0.25° (aus 8 verschiedenen Richtungen) bezüglich der optische Achse in die Teleskopöffnung. Die angegebene Längenskala entspricht dem 2-fachen Durchmesser der zentralen Beugungscheibe (2x AD). Demnach ist die Abbildungsqualität auf der optischen Achse beugungsbegrenzt. Das System besitzt 203

mm Öffnung und eine Lichtstärke entsprechend Blende 18.6. Die Bildfeldneigung beträgt 6.5°. Nachteilig wirkt sich der Krümmungsradius des 1. Spiegels von etwa 17 m aus. Der Verfasser hat dieses System als Ausgangspunkt für eigene optische Simulationsrechnungen verwendet und entsprechende Versuche unternommen, mit dieser Spiegelanordnung lichtstärkere Systeme zu konfigurieren. Ein typisches Resultat ist in Abb. 3 dargestellt.

Abb. 3 zeigt ein Solano-Teleskop mit 203 mm Öffnung analog zu Abb. 2 und ist für eine größere Lichtstärke (Blende 13.4) ausgelegt. Bei diesem System werden bereits die mit höherer Lichtstärke zunehmenden Bildfehler bemerkbar (siehe Spotdiagramm). Zudem ist auch hier ein langbrennweitiger 1. Spiegel (etwa 12 m Radius) mit hyperbolischer Korrektur erforderlich. Die Bildneigung beträgt 6.9°. Dieses System liefert noch eine gute Abbildungsqualität, zeigt aber die konstruktiven Grenzen der Anordnung auf. Der 3. Spiegel bewirkt hier bereits eine kleine Abschattung des 1. Spiegels und kann konstruktiv nicht weiter entfernt von der optischen Achse positioniert werden. Bei noch lichtstärkeren Systemen würde der Abschattungseffekt weiter zunehmen. Dies hat seine Ursache in dem geringen Drehwinkel des 2. Spiegels, dieser Freiheitsgrad wird für die Korrektur der Bildfehler benötigt und ist demnach nicht mehr frei wählbar. Daher liefert dieses System zu wenige Freiheitsgrade um ein obstruktionsfreies System mit hoher Lichtstärke (kleiner als etwa Blende 14) zu realisieren.

Der im nachfolgenden dargelegten Erfindung eines Teleskops vom Typ der Schiefspiegier liegt die Aufgabe zugrunde, die Mehrzahl der Nachteile zu vermeiden, die in der Beschreibung zum Stand der Technik aufgeführt sind. Insbesondere soll ein kompaktes Spiegelsystem entwickelt werden, daß mit 3 rotationssymmetrischen Spiegeln von konkaver und konvexer Form und unter Verwendung eines zusätzlichen Planspiegels ein obstruktionsfreies System mit einer Lichtumlenkung zum Beobachter von nahezu 0° (Refraktor-Anordnung) oder auch von 90° (Newton-Anordnung) realisiert.

Diese Aufgabe wird durch ein Spiegelsystem nach Anspruch 1 gelöst und wird im folgenden als Solano-Schiefspiegler bezeichnet. Mit diesem System lassen sich kompakte, in der Abbildungsqualität beugungsbegrenzte Instrumente realisieren, die eine Alternative zum Refraktor oder Newton-Teleskop darstellen. Die Spiegelanordnung besitzt eine große Zahl von Freiheitsgraden hinsichtlich der geometrischen Gestalt, der freien Öffnung und der Öffnungsverhältnisse. Weiterhin sind genügend Parameter vorhanden, die eine Optimierung der Abbildungsqualität auch unter bestimmten Vorgaben für die optischen Größen, beispielsweise unter Verwendung von Spiegeln mit gleichen Krümmungsradien,

ermöglicht. Dies führt zu einem hohen Maß an Fertigungstoleranzen bei den optischen Parametern. Bei abweichenden optischen Werten sollte eine neue Optimierung der Geometrie wieder zu einem System mit hoher Abbildungsqualität führen.

Mit diesen System lassen sich mehrere offensichtliche Vorteile erzielen:

- mit einfachen sphärischen und weiteren rotationssymmetrischen Spiegelflächen lassen sich freie Öffnungen von mehr als 300 mm mit hoher optischer Abbildungsqualität realisieren. Die Geräte ermöglichen einen relativ kompakten und schlanken Aufbau, die Baulänge ist geringer als beim konventionellen Trioder Tetra-Schiefspiegler.

- verschiedene Ausführungsvarianten erlauben eine variable Gestaltung der Einblickrichtung (Lichtumlenkungen nahe 0° und 90° realisierbar).

- Paare konvexer und konkaver Spiegel mit betragsmäßig gleichen Krümmungsradien können verwendet werden.

- Die Lichtstärke der Systeme kann in einem weiten Bereich (Blendenwerte von

etwa 8-20 ) verändert werden, dabei ändern sich die geometrischen Abmessungen nur geringfügig.

- Die Bildfeldneigung konnte gegenüber den bisher bekannten Systemen mit 90° Lichturnlenkung teilweise deutlich reduziert werden.

Das erfindungsgemäße 4-Spiegel-System besteht aus einer Weiterentwicklung des Solano-Teleskops, sowie des Tri-Schiefspieglers und kann die zum Stand der Technik aufgeführten Nachteile erheblich verringern. Gegenüber der 3-Spiegel-Anordnung des Solano wird bei dem im folgenden als Solano-Schiefspiegler bezeichneten 4-Spiegel-System ein Planspiegel (Nr. 2) zwischen dem konkaven 1. Spiegel (Nr. 1) und dem nachfolgenden gekrümmten Spiegel (Nr. 3) eingefügt. Anschließend folgt ein weiterer gekrümmter Spiegel (Nr. 4). Dabei sind 2 verschiedene Gestaltungsformen von Spiegel Nr. 3 und Nr. 4 möglich. Besitzt der Spiegel Nr. 3 eine konkave Gestalt, so erhält Spiegel Nr. 4 konvexe Gestalt und umgekehrt. Es handelt sich bei dem erfindungsgemäßen System keineswegs um eine einfache Faltung des Strahlengangs, wie sie in Ref. 1 (siehe Beispiele Abb. 2 und 3) durch Hinzufügen eines Planspiegels für eine 4. Reflexion erreicht wird. Durch die Einfügung eines Planspiegels zwischen den ersten beiden gekrümmten Spiegeln lassen sich vielmehr neue Freiheitsgrade für die optische und geometrische

Dimensionierung erreichen. Je nach Neigungswinkel des Planspiegels und dem Drehsinne der nachfolgenden Spiegel werden verschiedene Konfigurationen (0° und 90° Lichtumlenkung zum Beobachter) bei einer gleichzeitig verbesserten Bildfehlerkorrektur ermöglicht. Mit diesem erfindungsgemäßen Schritt sind neue Varianten des Strahlengangs und der Fokuslage möglich, die sich vorher geometrisch nicht realisieren ließen. Die entsprechend veränderten Geometriebedingungen wirken sich zudem günstig auf die Bildfehler aus. Es lassen sich 2 Grundformen des Systems angeben, die durch unterschiedliche Drehsinne von Spiegel Nr. 2 bezüglich Spiegel Nr. 1 charakterisiert sind und im folgenden näher beschrieben werden (siehe Abb. 4a, b).

Zunächst fällt ein paralleles Lichtbündel (10) mit dem Hauptstrahl (00) auf einen konkaven Hauptspiegel (Sl). Letzterer ist derart gegen die Einfallsrichtung geneigt, daß sich der 2. planare Spiegel (S2) außerhalb des einfallenden Lichtbündels befinden kann, um dieses nicht abzuschatten. Die optische Achse wird durch den Hauptstrahl (00) des Parallelstrahlenbündels (10) definiert und verbindet die Scheitelpunkte der Reflexionsflächen miteinander (siehe Abb. la). Die Spiegelneigungen &agr; erfolgen um diese Scheitelpunkte und werden zwischen der Scheitelnormalen und der optischen Achse gemessen. Die Strahlablenkung beträgt somit 2 &agr;. Die Neigungen werden in der gemeinsamen Meridionalebene aller Spiegelscheitel und des Fokus ausgeführt. Die Meridionalebene ist mit der Zeichenebene identisch. Für die weiteren Reflexionen ergeben sich je nach Neigungswinkel des Planspiegels (S2) und der Anordnung der beiden weiteren Spiegel ((S3) und (S4)) verschiedene Varianten, die sich auf die folgenden 2 Grundformen zurückführen lassen:

Grundform I (Abb. 4a):
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Bei gleicher Drehrichtung des 1. Spiegels (Sl) und des 2. Spiegels (S2) läßt sich ein 3. Spiegel (S3) vorzugsweise auf der anderen Seite des Parallelstrahlenbündels, dem 2. Spiegel (S2) nahezu gegenüber positionieren. Eine Minimierung der Bildfehler gelingt bei dieser Geometrie vorzugsweise mit einem konkaven 1. Spiegel (Sl), der eine hyperbolische Kurvenform besitzt. Einer der nachfolgenden Spiegel ((S3) oder (S4)) ist von konvexer Gestalt und der andere konkav ausgeführt. Die Anordnung eines 3. konvexen Spiegels (S3) und eines 4. konkaven Spiegels (S4) entspricht einer Weiterentwicklung des Tri-Schiefspieglers, während die umgekehrte Folge auf der Konstruktion des Solano-Teleskops beruht. Beide Spiegel ((S3) und (S4)) besitzen vorzugsweise sphärische Form.

Die Neigung des 3. Spiegels (S3) ist relativ klein ausgeführt, so daß das konvergente Strahlenbündel nach der 3. Reflexion vorzugsweise sehr nahe oberhalb oder unterhalb des 2. Spiegels (S2) vorbeigeführt wird. Der 3. Spiegel (S3) und der 4. Spiegel (S4) können unabhängig voneinander entweder Rechtsdrehung oder Linksdrehung aufweisen. Bei Rechtsdrehung des 4. Spiegels (S4) läßt sich eine Lichtumlenkung von etwa 90° zum Beobachter realisieren, analog zu einem Newton-Teleskop. Bei geeigneter Linksdrehung des 4. Spiegels (S4) läßt sich eine dem Refraktor ähnliche Anordnung erreichen (Lichtablenkung nahe 0°). Der Hauptspiegel ist in den Ausführungsbeispielen immer nach rechts gedreht, ansonsten kehren sich die Drehsinne um. Für jede zu realisierende Umlenkung (vorzugsweise um 0° und 90°) ist eine Neuberechnung des optischen Systems notwendig.

Diese Konstruktion erlaubt einen vollständig obstruktionsfreien Strahlengang und ermöglicht einem weiten Bereich an Lichtstärken (Blendenwerte etwa 8 -20) mit guter optischer Korrektur, ohne das sich dabei die Baulänge wesentlich ändert. Konkrete Ausführungsvarianten dieser Grundform sind in den Abb. 5-8 und in Abb. 12 angegeben.

Grundform II (Abb. 4b):

Eine weitere Grundform des Solano-Schiefspieglers ergibt sich, wenn die Neigung des planaren 2. Spiegels (S2) mit einer Drehrichtung erfolgt, die dem 1. Spiegel (Sl) entgegengesetzt ist. Der 3. Spiegel (S3) und der 4. Spiegel (S4) können unabhängig voneinander entweder Rechtsdrehung oder Linksdrehung aufweisen. Der 2. Spiegel (S2) und der 3. Spiegel (S3) befinden sich auf der gleichen Seite bezüglich des Parallelstrahlenbündels. Die Reflexion am 3. Spiegel (S3) wird so gewählt, daß das konvergente Strahlenbündel vorzugsweise sehr nahe oberhalb oder unterhalb des 2. Spiegels (S2) verläuft. Das Strahlenbündel erreicht dann vorzugsweise auf der bezüglich des Parallelbündels gegenüberliegenden Seite einen 4. Spiegel (S4). Die Neigung des 4. Spiegels (S4) kann nun wiederum so gewählt werden, daß eine senkrechte Einblickrichtung des Beobachters realisiert wird. Beispiele dafür sind in Abb. 9 und 13 angegeben. Wird der 4. Spiegel (S4) in gleichem Drehsinn wie der 1. Spiegel (Sl) geneigt, läßt sich eine dem Refraktor ähnliche Anordnung erreichen (Ausführungsbeispiele siehe Abb. 10, 11 und 14). Eine Korrektur der Bildfehler gelingt bei dieser Konstruktionsform vorzugsweise mit einem hyperbolischen 1. Spiegel (Nr. 1) und sphärischen 3. Spiegel

(Nr.3) und 4. Spiegel (Nr.4). Wie bei der Grundform I kann der 3. Spiegel (Nr.3) konkave und der 4. Spiegel (Nr.4) konvexe Gestalt besitzen (Abb. 9-11). Auch die umgekehrte Reihenfolge ist möglich und wird in den Ausführungsbeispielen verwendet (Abb.12-14). Konstruktionsbedingt muß bei dieser Grundform mit einer höheren Bildfeldneigung als bei der Grundform I gerechnet werden. Mit den Varianten der Grundform II (siehe Abb. 9-11) lassen sich relativ kompakte Instrumente mit Öffnungen von mehr als 250 mm realisieren, deren Lichtstärke bei einer Anordnung mit 90° Lichtumlenkung in einem weiten Bereich variabel ist (Blendenwerte 8 - 20).

Ausführungsbeispiele:

Die Abb. 5 und die zugehörige Datentabelle zeigen eine Ausführungsvariante eines Solano-Schiefspieglers mit 150 mm Öffnung nach der Grundform I und verwendet einem konkaven, hyperbolischen 1. Spiegel (konische Konstante c = -5.65) und sphärische 3. und 4. Spiegel. Der 4. Spiegel befindet sich in unmittelbarer Nähe des 2. Spiegels (Planspiegel) und führt das Strahlenbündel auf der gegenüberliegenden Seite des Parallelbündels zum Fokus. Zur technischen Realisierung dieser engen Spiegelanordnung kann der Planspiegel platzsparend ohne entsprechende Justierfassung eingebaut werden, da sich dessen Kippwinkel nicht auf den Korrekturzustand der Optik auswirkt. Die Krümmungsradien von 3. und 4. Spiegel lassen sich vorzugsweise betragsmäßig gleich groß wählen, nach dem eine entsprechende rechnerische Minimierung der Bildfehler anhand der anderen Parameter erfolgt ist. Das dargestellte Spotdiagramm wurde für ein Bildfeld von 0.5° berechnet. Die angegebene Längenskala entspricht dem 2-fachen Durchmesser der zentralen Beugungscheibe (2 &khgr; AD). Demnach ist die Abbildungsqualität auf der optischen Achse beugungsbegrenzt. Bemerkenswert ist die relativ hohe Lichtstärke des Systems (Blende 10), die sich mit einem Tri-Schiefspiegler oder Solano-Teleskop nach dem Stand der Technik nicht mehr realisieren läßt (siehe Diskussion zu Abb. 3).

Das Ausführungsbeispiel in Abb. 6 nach der Grundform I verwendet betragsmäßig gleiche Krümmungsradien für den 1., 3. und 4. Spiegel. Der 1. Spiegel besitzt hyperbolische Form (c = -2.26), während der 3. und 4. Spiegel sphärisch sind. Das System ist für eine Öffnung von 500 mm und Blende 18.1 ausgelegt und besitzt gute Abbildungsqualität, wie das entsprechende Spotdiagramm belegt. Damit eignet sich insbesondere diese Ausführungsvariante (von geringerer Lichtstärke) auch für Instrumente

mit großer Öffnung, die für Forschungszwecke interessant sein könnten.

Die Bildfeldneigung ist in den beschriebenen Systemen mit 90° Lichtumlenkung gering und beträgt bei dem System in Abb. 5 4.6° und in Abb. 6 3.3° in sagittaler Richtung. In tangentialer Richtung ist die Bildfeldneigung geringer.

Eine weitere Variante nach der Grundform I mit 90° Lichtumlenkung ergibt sich wenn der 4. Spiegel erheblich weiter von der optischen Achse entfernt wird und ist in Abb. 7 beschrieben. In diesem Fall wird die Neigung des 4. Spiegel mit umgekehrten Drehsinn ausgeführt, als es in den Beispielen von Abb. 5 und 6 der Fall war. Damit verläuft das vom 4. Spiegel reflektierte Licht unterhalb des Planspiegels (2. Spiegel) zum Fokus auf der gegenüberliegenden Seite des Parallelbündels. Der 3. und 4. Spiegel sind sphärisch ausgeführt. Der 1. Spiegel ist leicht hyperbolisch ausgeführt und besitzt hier betragsmäßig den' gleichen Krümmungsradius wie der konvexe 4. Spiegel. Das Spotdiagramm demonstriert gute Abbildungsqualität. Nach entsprechender Umskalierung der Konstruktionsdaten lassen sich mit dieser Variante Öffnungen von mehr als 400 mm mit guter Bildqualität realisieren. Die Bildfeldneigung beträgt 10.3° in tangentialer Richtung. Durch die Faltung des Strahlengangs kann die Baulänge reduziert werden. Nachteilig wirkt sich jedoch die Größe des Planspiegels aus, der erheblich größer als die Öffnung dimensioniert ist und damit die Herstellungskosten erhöht. Weiterhin ist die Lichtstärke dieser Systeme begrenzt (Blende größer als etwa 15).

Die Abb. 8 zeigt eine weitere Ausführungsvariante mit einer Öffnung von 150 mm nach der Grundform I, die eine Bauweise mit nahezu 0° Lichtumlenkung ermöglicht. Der 1. Spiegel ist hier von konkaver, parabolischer Gestalt, während 3. und 4. Spiegel sphärisch sind. Das System wurde so ausgelegt, daß der 1. Spiegel und 4. Spiegel betragsmäßig gleiche Krümmungsradien besitzen. Der konkave 3. Spiegel besitzt allerdings einen recht hohen Krümmungsradius von 30 m. Dieses System weist eine relativ große Bildfeldneigung von 11.9° in tangentialer Richtung auf. Vorteilhaft ist die gegenüber einem Kutter-Schiefspiegler recht schlanke Konstruktion. Auch mit dieser Variante lassen sich eher kleine Lichtstärken realisieren (größer als etwa Blende 15).

Das Ausführungsbeispiel in Abb. 9 nach der Grundform II benutzt einen Drehsinn des konvexen 4. Spiegels der eine Lichtumlenkung von 90° ermöglicht. Es werden betragsmäßig gleiche Krümmungsradien für den 3. und 4. Spiegel verwendet, die sphärisch ausgeführt sind. Der 1. Spiegel besitzt hingegen hyperbolische Form. Das System ist

für eine Öffnung von 250 mm und Blende 16.2 ausgelegt. Es besitzt gute Abbildungsqualität, wie das entsprechende Spotdiagramm belegt. Die Bildfeldneigung ist bei dieser Variante etwas größer als in den Abb. 5, 6 und beträgt 8.8° in tangentialer Richtung.

Bei umgekehrtem Drehsinn des 4. Spiegels läßt sich wieder eine Lichtumlenkung von nahezu 0° realisieren, wie die beiden folgenden Beispiele zeigen.

Die Ausführungsbeispiele in den Abb. 10 und 11 nach der Grundform II realisieren einen Aufbau, der einem Refraktor entspricht. Der Fokus befindet sich im Beispiel Abb. 10 bezüglich des Parallelbündels auf der gleichen Seite wie der konvexe 4. Spiegel und in Abb. 11 auf der gegenüberliegenden Seite. Vorzugsweise können betragsmäßig gleiche Krümmungsradien für den 1., 3. und 4. Spiegel verwendet werden. Der 1. Spiegel ist hyperbolisch, während die Spiegel Nr. 3 und Nr. 4 sphärisch sind. Beide Systeme sind für Öffnungen von 150 mm und eine Blende von 22.2 (Abb. 10 ) bzw. Blende 23 (Abb. 11) ausgelegt und besitzen für ein Bildfeld von 0.5° gute Abbildungsqualität. Die Bildfeldneigungen sind bei diesen Varianten recht gering und betragen 4,5° (Abb. 10) und 4,0° (Abb. 11) in sagittaler Richtung. In beiden Fällen kann ein recht schlanker Aufbau realisiert werden. Es lassen sich Systeme mit Öffnungen von mehr als 400 mm realisieren, diese Varianten sind aber eher für kleine Lichtstärken geeignet (größer als etwa Blende 15).

Bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungen wird die Reihenfolge von konkaver und konvexer Oberflächengestalt von Spiegel Nr. 3 und Nr. 4 vertauscht (gegenüber den Varianten in Abb. 5-11). Auch bei diesen Systemen, die einem Tri-Schiefspiegler mit zusätzlich eingefügten Planspiegel entsprechen, lassen sich beugungsbegrenzte Systeme mit 0° und 90° Lichtumlenkung realisieren, wie die folgenden Ausführungsbeispiele zeigen.

Die Abb. 12 und die zugehörige Datentabelle zeigen eine Ausführungsvariante eines Solano-Sehiefspieglers mit 150 mm Öffnung nach der Grundform I und verwendet einem konkaven, parabolischen 1. Spiegel (konische Konstante c = -1), einen konvexen 3. Spiegel und einen konkaven 4. Spiegel. Der 3. und 4. Spiegel sind hier sphärisch. Der 4.

Spiegel ist in der Nähe des planaren 2. Spiegels positioniert und führt das Strahlenbündel auf der gegenüberliegenden Seite des Parallelbündels zum Fokus. Die Krümmungsradien von Spiegel Nr. 1, Nr. 3 und Nr. 4 sind in diesem Fall unterschiedlich. Das dargestellte Spotdiagramm belegt eine beugungsbegrenzte Abbildungsqualität. Die Bildfeldneigung beträgt in tangentialer Richtung 9.7°. Es handelt sich um ein System mit relativ geringer

Lichtstärke (Blende 18.7). Vorteilhaft erweist sich, daß die Spiegel Nr. 2-4 gegenüber dem Hauptspiegel relativ klein dimensioniert werden können und sich nahe am Parallelstrahlenbündel befinden, damit wird der Einbau in einen einfachen runden Tubus, analog zum Aufbau eines Newton-Teleskops, ermöglicht.

Die Abb. 13 zeigt eine Ausfuhrungsvariante eines Solano-Schiefspieglers mit 150 mm Öffnung nach der Grundform II mit Lichtumlenkung von 90°. In diesem Fall befinden sich die Spiegel Nr. 2-4 auf einer gemeinsamen Seite bezüglich des Parallelbündels. Die Ausführung verwendet einem konkaven, leicht hyperbolischen 1. Spiegel (konische Konstante c = -1.35) und einen konvexen 3. Spiegel, sowie einen konkaven 4. Spiegel.

Beide Spiegel sind sphärisch. Der 4. Spiegel ist in der Nähe des planaren 2. Spiegels positioniert und führt das Strahlenbündel im Zwischenraum von 2. und 3. Spiegel hindurch zum Fokus. Alle Krümmungsradien sind in diesem Fall unterschiedlich. Das dargestellte Spotdiagramm demonstriert beugungsbegrenzte Abbildungsqualität auf der optischen Achse. Die Bildfeldneigung beträgt in tangentialer Richtung 10.1°. Bemerkenswert ist die relativ hohe Lichtstärke (Blende 8.2), die sich mit dieser Spiegelanordnung realisieren läßt. Während der 3. und 4. Spiegel relativ klein dimensioniert werden können, besitzt der Planspiegel (Nr. 2) aufgrund des hohen Neigungswinkels einen größeren Durchmesser als der 1. Spiegel.

Abb. 14 zeigt eine Ausführungsvariante eines Solano-Schiefspieglers mit 150 mm Öffnung nach der Grundform II in Refraktor-Anordnung. Analog zu Abb. 13 befinden sich auch hier die Spiegel Nr. 2-4 auf einer gemeinsamen Seite bezüglich des Parallelbündels. Das System verwendet einem konkaven 1. Spiegel, einen konvexen 3. Spiegel, sowie einen konkaven 4. Spiegel. Die gekrümmten Spiegel besitzen hier alle sphärische Form und Spiegel Nr. 3 und Nr. 4 verwenden hier betragsmäßig gleiche Krümmungsradien. Analog zu Abb. 13 ist der 4. Spiegel in der Nähe des planaren 2. Spiegels positioniert und führt das Strahlenbündel im Zwischenraum von 2. und 3. Spiegel hindurch zum Fokus. Die Neigung des Planspiegels ist jedoch erheblich geringer und ermöglicht eine Fokuslage, die einem Refraktor entspricht. Das dargestellte Spotdiagramm demonstriert gute Abbildungsqualität. Die Bildfeldneigung beträgt in tangentialer Richtung 5.2°. Die Lichtstarke ist mit Blende 20.6 relativ gering. Mit dieser Anordnung läßt sich ein recht kompakter Aufbau erzielen und ein sphärischer 1. Spiegel ermöglicht hier bereits eine ausreichende Bildfehlerkorrektur.

Alle dargestellten Ausführungen (Abb. 5-14) sollten vorzugsweise eine kreisförmige Eintrittsöffhung in der Größe des Hauptspiegels besitzen, die sich zweckmäßiger-

weise oberhalb der Spiegelanordnung befindet.

Die verschiedenen Ausführungsbeispiele (Abb. 5-14) haben dargelegt, daß mit der Einführung eines zusätzlichen planaren Spiegels in den Strahlengang für die 2. Reflexion vielseitige Varianten eines Solano-Schiefspieglers realisiert werden können. Diese können die zum Stand der Technik aufgeführten Nachteile bisheriger Schiefspiegler und Solano-Teleskope, besonders bei den Varianten mit einer Lichtumlenkung von 90° zum Beobachter, deutlich vermindern. Insbesondere lassen sich nach der Grundform I (Abb. 4a) recht lichtstarke Instrumente mit guter Bildfehlerkorrektur und relativ großen Öffnungen realisieren. Die erreichbaren Lichtstärken mit Blendenwerte im Bereich 8-14 waren den bisherigen Tri- oder Tetra-Schiefspieglern und den Solano-Teleskopen nicht zugänglich. Die Bildfeldneigung ist gegenüber den bekannten Systemen (mit 90° Umlenkung) teilweise deutlich reduziert worden. Die Ausführungen nach der Grundform II (Abb. 4b) realisieren etwas kompaktere Teleskope, die auch recht hohe Lichtstärken in der 90° Konfiguration erzielen können (Blende 8.2, siehe Abb. 13) Die Anordnungen mit 0° Lichtumlenkung besitzen jedoch eher geringe Lichtstärken (größer als Blende 15). Für die Ausführungen nach Grundform II ergeben sich weitere Vereinfachungen bei der Spiegeloptik, teilweise können alle gekrümmten Spiegel sphärisch ausgeführt werden.

Die erfindungsgemäßen Systeme nach den Grundformen I und II lassen sich wahlweise für 0° oder 90° Lichtumlenkung zum Beobachter und für einen weiten Bereich von Lichtstärken konfigurieren und bieten damit sehr flexible Einsatzmöglichkeiten. Die Auslegung der Instrumente läßt sich beispielsweise an verschiedene Montierungstypen und an Beobachtungsobjekte verschiedener Helligkeit anpassen.

Die Lichtumlenkung von 90° mittels gekrümmter Spiegel stellt hohe Anforderungen an die optische Korrektur der Bildfehler, dennoch lassen sich einige der Ausführungs-Varianten mit Öffnungen von mehr als 400 mm realisieren, welches auch für Forschungszwecke relevant sein könnte.

Abbildungen:
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Abb. 1 zeigt ein Schema des Solano-Teleskops nach A. S. Leonard (Ref. 1). Abb. 2 zeigt eine Ausführung des Solano-Teleskops mit 90° Umlenkspiegel (nach Ref. 1). Abb. 3 zeigt ein für höhere Lichtstärke vom Verfasser modifiziertes Solano-Teleskop, dessen Konstruktion auf Abb. 2 beruht.

Abb. 4 a und Abb. 4b zeigen schematisch 2 verschiedene Grundformen (I und II) des Erfindungsgegenstandes.

Abb. 5 zeigt eine Ausfuhrung des Solano-Schiefspieglers (nach Grundform I) mit 150 mm Öffnung und F/10.
Abb. 6 zeigt eine Ausführung des Solano-Schiefspieglers (nach Grundform I) mit 500 mm Öffnung und F/l8.1.

Abb. 7 zeigt eine Ausführung des Solano-Schiefspieglers (nach Grundform I) mit 150 mm Öffnung und F/21.6.

Abb. 8 zeigt eine Ausführung des Solano-Schiefspieglers (nach Grundform I) mit 150 mm Öffnung und F/21.6 .

Abb. 9 zeigt eine Ausführung des Solano-Schiefspieglers (nach Grundform II) mit 250 mm Öffnung und F/l 6.2.

Abb. 10 zeigt eine Ausführung des Solano-Schiefspieglers (nach Grundform II) mit 150 mm Öffnung und F/22.2 .
Abb. 11 zeigt eine Ausführung des Solano-Schiefspieglers (nach Grundform II) mit 150 mm Öffnung und F/23 .

Abb. 12 zeigt eine Ausführung des Solano-Schiefspieglers (nach Grundform I) mit 150 mm Öffnung und F/18.7 .

Abb. 13 zeigt eine Ausführung des Solano-Schiefspieglers (nach Grundform II) mit 150 mm Öffnung und F/8.2 .

Abb. 14 zeigt eine Ausführung des Solano-Schiefspieglers (nach Grundform II) mit 150 mm Öffnung und F/20.6 .

In den Zeichnungen Seite 1-15 verwendete Definitionen:

Die in den Tabellen angegebene Reflexion-Nr. zählt die Abfolge der Reflexionen, während die Spiegel-Nr. aussagt, an welchem Spiegel die Reflexion stattfindet. Die Zählung der Spiegel von Nr. 1 - Nr. 4 in den Tabellen ist mit denen in den Abbildungen verwendeten Bezugszeichen (Sl) - (S4) identisch. Bei den angegebenen Spiegeldurchmessern ist die benötigte, vergrößerte Reflexionsfläche aufgrund des geforderten Bildfeldes berücksichtigt. Alle Längenmaße in den Datentabellen sind in mm angegeben. Der angegebene Abstand wird entlang der optischen Achse zwischen den Scheiteln der jeweiligen Reflexionsflächen gemessen. Dieser ist jeweils von der aktuellen

Reflexionsfläche bis zur nächsten angegeben. Eine Ausnahme ist der in den Datentabellen angegebene Abstand nach der 4. Reflexion, dieser beschreibt die Distanz von der 4. Reflexionsfläche bis zum Fokus. Krümmungsradien konkaver Flächen werden mit negativen Vorzeichen versehen, Radien konvexer Flächen mit positiven. Nach links drehende Spiegelneigungen werden negativ, rechts drehende positiv gezählt. Die konische Konstante c definiert die rotationssynimetrische Kurvenform des Spiegels (c = 0 sphärisch, c = -1 parabolisch, usw.). Es gilt der Zusammenhang: c = - (Exzentrizität)².

Die meridionale Ebene ist die gemeinsame Ebene aller Spiegelscheitel und des Fokus (F). In den Abbildungen entspricht sie der Zeichenebene, während die sagittale Ebene senkrecht dazu steht.

Die dargestellten Spotdiagramme beschreiben die Abbildung von Parallelstrahlen in der Abbildungsebene für achsenparallele Strahlen (zentraler Spot) und für 8 außeraxiale Parallelstrahlenbündel aus unterschiedlichen Richtungen, die alle eine Winkeldivergenz von 0.5 &khgr; Bildfeldgröße von der optischen Achse aufweisen. Alle hier dargestellten Spotdiagramme sind für ein totales Bildfeld von 0.5° berechnet. Die meridionale Richtung entspricht einer waagerechten Linie durch den Zentralspot, die sagittale und tangential einer Senkrechten. AD ist die Abkürzung für Airy-Disk. Der zweifache Durchmesser der zentralen Beugungsscheibe (2 AD) ist in allen Spotdiagrammen jeweils einmal durch einen Längenmaßstab gekennzeichnet. Der Durchmesser der Beugungsscheibe in mm ist zusätzlich angegeben. Die Abbildungsebene des Spotdiagramms ist entsprechend der meridionalen Bildfeldneigung gekippt. Als Wert für die Bildfeldneigung ist jeweils die größte Neigung angegeben, die entweder in tangentialer oder sagittaler Richtung auftritt.

Claims (7)

Schutzansprüche

1. Spiegelsystem vom Typ Schiefspiegier mit folgenden Merkmalen:
Spiegelsystem, welches aus 4 Spiegeln besteht, von denen 3 Spiegel rotationssymmetrische Gestalt aufweisen und ein weiterer Spiegel eine Planfläche aufweist. Jeder der rotationssymmetrischen Spiegel kann eine asphärische Gestalt besitzen.
Alle Spiegel sind gegen die optische Achse um ihre Scheitelpunkte gedreht und alle Scheitelpunkte befinden sich in einer gemeinsamen Ebene. Die optische Achse wird durch den Hauptstrahl (00) eines auf den 1. Spiegel (Sl) fallenden Parallelstrahlenbündels (10) definiert. Der 1. Spiegel (Sl) wird vorzugsweise so geneigt, daß sich ein 2. Spiegel (S2) außerhalb des einfallenden Strahlenbündels befinden kann. Der 2. Spiegel (S2) reflektiert das Lichtbündel zu einem 3. Spiegel (S3), der es zu einem 4. Spiegel (S4) lenkt. Nach der Reflexion an einem 4. Spiegel (S4) erscheint ein reelles Bild im Fokus (F), ein Zwischenbild existiert nicht; dadurch gekennzeichnet, daß

- der 1. Spiegel (Sl) konkave, der 2. Spiegel (S2) planare, der 3. Spiegel (S3) und 4. Spiegel (S4) rotationssymmetrische, gekrümmte Gestalt besitzen.

2. Spiegelsystem nach Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet, daß

- der 1. Spiegel (Sl) und 2. Spiegel (S2) im gleichen Drehsinne geneigt sind.

- sich bezüglich des Parallelstrahlenbündels (10) der 2. Spiegel (S2) und 4. Spiegel (S4) vorzugsweise auf einer gemeinsamen Seite befinden und der 3. Spiegel (S3) vorzugsweise auf der gegenüberliegenden Seite.

- der 4. Spiegel (S4) vorzugsweise in der Nähe des 2. Spiegels (S2) positioniert ist.

3. Spiegelsystem nach Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet, daß

- der 1. Spiegel (Sl) und 2. Spiegel (S2) im entgegengesetzten Drehsinne geneigt sind.

- sich der 2. Spiegel (S2) und 3. Spiegel (S3) auf einer gemeinsamen Seite bezüglich des Parallelstrahlenbündels (10) befinden und der 4. Spiegel (S4) vorzugsweise auf der gegenüberliegenden Seite.

4. Spiegelsystem nach Anspruch 2; dadurch gekennzeichnet, daß

- der 3. Spiegel (S3) konkave und der 4. Spiegel (S4) konvexe Gestalt besitzt.

- zwei der Spiegel vorzugsweise dem Betrage nach gleiche Krümmungsradien aufweisen.

- der 3. Spiegel (S3) und 4. Spiegel (S4) vorzugsweise sphärische Form besitzen und der 1.

Spiegel (Sl) bevorzugt asphärische Gestalt besitzt.

- die Strahlumlenkung vorzugsweise so erfolgt, daß sich eine zum einfallenden Lichtbündel parallele oder senkrechte Beobachtungsrichtung ergibt.

5. Spiegelsystem nach Anspruch 2; dadurch gekennzeichnet, daß

- der 3. Spiegel (S3) konvexe und der 4. Spiegel (S4) konkave Gestalt besitzt.

- der 1. Spiegel vorzugsweise asphärische und 3. Spiegel (S3) und 4. Spiegel (S4)

bevorzugt sphärische Gestalt besitzen.

- die Strahlumlenkung vorzugsweise so erfolgt, daß sich eine zum einfallenden Lichtbündel parallele oder senkrechte Beobachtungsrichtung ergibt.

6. Spiegelsystem nach Anspruch 3; dadurch gekennzeichnet, daß

- der 3. Spiegel (S3) konkave und der 4. Spiegel (S4) konvexe Gestalt besitzt.

- zwei der Spiegel vorzugsweise dem Betrage nach gleiche Krümmungsradien aufweisen. - der 3. Spiegel (S3) und 4. Spiegel (S4) vorzugsweise sphärische Form besitzen und der

1. Spiegel (Sl) bevorzugt asphärische Gestalt besitzt.

- die Strahlumlenkung vorzugsweise so erfolgt, daß sich eine zum einfallenden

Lichtbündel parallele oder senkrechte Beobachtungsrichtung ergibt.

7. Spiegelsystem nach Anspruch 3; dadurch gekennzeichnet, daß

- der 3. Spiegel (S3) konvexe und der 4. Spiegel (S4) konkave Gestalt besitzt.

- zwei der Spiegel vorzugsweise dem Betrage nach gleiche Krümmungsradien aufweisen.

- der 3. Spiegel (S3) und 4. Spiegel (S4) vorzugsweise sphärische Form besitzen und der

1. Spiegel (Sl) bevorzugt asphärisch geformt ist.

- die Strahlumlenkung vorzugsweise so erfolgt, daß sich eine zum einfallenden Lichtbündel parallele oder senkrechte Beobachtungsrichtung ergibt.

Hierzu 15 Seiten Zeichnungen, teilweise mit technischen Daten 30