DE3943258C2

DE3943258C2 -

Info

Publication number: DE3943258C2
Application number: DE3943258A
Authority: DE
Inventors: Michael 3470 Hoexter De Brunn
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-12-29
Filing date: 1989-12-29
Publication date: 1992-03-19
Also published as: US5142417A; DE3943258A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Spiegelsystem nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Ein derartiges Spiegelsystem ist bereits von R. J. Wessling (Telescope Making #28, S. 32) angegeben worden. Dieses Spiegelsystem geht von einem Tri-Schiefspiegler aus, wie er von R. A. Buchroeder ("Design Examples of TCT's", OSC Technical Report #68, S. 19) beschrieben ist. Wessling fügt nach dem 3. Spiegel noch einen Planspiegel ein, um die astronomische Bildorientierung zu erreichen. Es wurde aber nicht erkannt, daß durch die neu gewonnenen Freiheitsgrade erhebliche Korrekturen hinsichtlich der Abbildungsfehler möglich waren.

Der Amerikaner R. A. Buchroeder hat zwei Versionen (Abb. 2 und 7) angegeben, die bis heute den Stand der Technik darstellen. Später hat auch A. Kutter einen Tri-Schiefspiegler angegeben, der jedoch erhebliche optische Mängel aufweist (Abb. 3). Bei Öffnungen bis etwa 150 mm kann der Kutter-Tri nur durch nachträgliche Computeroptimierung in ein brauchbares Spiegelsystem überführt werden..

Nachteile des Buchroeder-Tri I (OSC T. R. #68):

- Extreme Bildfeldneigung von 16° und extrem große anamorphotische Verzeichnung von etwa 6%.
- Die ungünstige Anordnung des Okulares erfordert eine hohe Montage des Teleskops, was die Kosten für Schutzbau und Montierung beträchtlich erhöht.
- Um eine astronomische Bildorientierung zu erhalten, muß eine weitere spiegelnde Fläche eingeführt werden.
- Die Fehlerkorrektur ist meridional sehr viel schlechter als sagittal. Das beugungsbegrenzte Bildfeld beträgt im ersteren 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.
- Systeme mit mehr als etwa 250 mm Öffnung können wegen der optischen Restfehler nicht gebaut werden.

Nachteile des Buchroeder-Tri II (OSC T. R. #68):

- Um eine astronomische Bildorientierung zu erhalten, muß eine weitere spiegelnde Fläche eingeführt werden.
- Der extreme Krümmungsradius des 3. Spiegels (53 Meter! bei 320 mm Öffnung) erschwert die Herstellung.
- Das beugungsbegrenzte Bildfeld ist mit 20 mm Durchmesser nur von mäßiger Größe, und die Fehlerkorrektur ist meridional schlechter als sagittal.
- Systeme mit mehr als etwa 400 mm Öffnung können wegen der optischen Restfehler nicht gebaut werden.

Der Buchroeder-Tri I weist mit der großen Bildfeldneigung und der ungünstigen Fehlerkorrektur besonders schwere Mängel auf. Version II ist nur selten von Amateurastronomen gebaut worden, weil der 3. Spiegel einen extremen Krümmungsradius erfordert. Für Berufsastronomen schieden diese Instrumente generell wegen der nur geringen realisierbaren Öffnungen aus.

Tri-Schiefspiegler gehen auf den anastigmatischen 2-Spiegel-Schiefspiegler nach Kutter zurück. Dieser hatte einen konkaven Primär- und einen konvexen Sekundärspiegel gewählt, weil die 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. Kutter hat Abschattungen vermieden, weil nur der silhouettierungsfreie Strahlengang eine Abbildung mit höchstmöglichem Kontrast und mit theoretischem Auflösevermögen garantiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf der Basis der bekannten Schiefspieglerformen ein silhouettierungsfreies 4-Spiegelsystem zu entwickeln, welches die bisherigen Nachteile vermeidet und bei dem ein kompakter, beobachtungstechnisch günstiger Aufbau erzielt wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Spiegelsystem nach Anspruch 1, im folgenden Tetra-Schiefspiegler genannt, gelöst. Es konnten alle in der Beschreibung zum Stand der Technik aufgezählten Nachteile vollständig beseitigt oder erheblich vermindert werden.

Die Spiegelsysteme sind unempfindlich gegen Fertigungstoleranzen, weil die hierdurch zu erwartenden Bildfehler automatisch bei der Justierung ausgeglichen werden. Die noch verfügbaren Freiheitsgrade erlauben eine Fülle von Varianten, die nicht alle beschrieben werden können. Die jeweils günstigste Auslegung richtet sich nach dem vorgesehenen Einsatzgebiet. So ist es möglich, Spiegelsysteme herzustellen,

- die ausschließlich sphärische Flächen auch bei Öffnungen von 500 mm und mehr benötigen (Abb. 4),
- deren Bildfeldneigung beseitigt ist,
- deren anamorphotische Verzeichnung beseitigt ist,
- deren Einblickrichtung (α₄) variabel gestaltet wird.

Abb. 1 zeigt schematisch die Grundform eines Tetra-Schiefspieglers. Ein paralleles Lichtbündel (32, 32, 34) fällt auf den konkaven 1. Spiegel (10). Der Hauptstrahl (34) des Bündels verbindet die Scheitelpunkte der Spiegel und definiert die optische Achse des Spiegelsystems. Der 1. Spiegel (10), der konvexe 2. Spiegel (12), der konkave 3. Spiegel (14) und der 4. Spiegel (16) werden derart gegen die optische Achse (34) gedreht angeordnet, daß ein silhouettierungsfreier Strahlengang entsteht. Die Scheitelpunkte der Spiegel sind die Drehzentren, und die Drehbeträge werden zwischen den Scheitelnormalen und der optischen Achse (34) gemessen. Die Drehungen erfolgen für den 1. Spiegel (10) einerseits sowie für den 2. und 3. Spiegel andererseits in entgegengesetzter Richtung.

Das Spiegelsystem weist kein reelles Zwischenbild auf. So befindet sich der 2. Spiegel (12) innerhalb der Brennweite des 1. Spiegels (10), vorzugsweise im Bereich vom 0,4- bis 0,6fachen der Brennweite des 1. Spiegels. Der 3. Spiegel (14) wird vorzugsweise in der Nähe des 1. Spiegels (10) angeordnet, und sein Drehwinkel α₃ muß kleiner als 34° sein, besser jedoch kleiner als 25° und für allerbeste Hebung auch außerachsialer Fehler kleiner als 15°. Grundsätzlich bestehen dann für die Anordnung des 4. Spiegels (16) zwei Möglichkeiten. In Abb. 1 befindet sich der 4. Spiegel (16) in dem vom Strahlengang unberührten Raum zwischen erstem (10), zweitem (12) und drittem (14) Spiegel.

Abb. 4 zeigt eine der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung. Um den großen technischen Fortschritt zu erkennen, sei dieser Tetra-Schiefspiegler (Abb. 4) mit dem besten der bisher errechneten Schiefspiegler, Buchroeders Version II (Abb. 2), verglichen. Obwohl das neue Spiegelsystem eine größere Öffnung (500 mm statt 318 mm) und ein größeres Öffnungsverhältnis (F/19 statt F/20,2) hat und nur sphärische Flächen eingesetzt werden, sind die Abbildungsfehler besonders in meridionaler Richtung beträchtlich vermindert, bzw. das brauchbare Bildfeld vergrößert worden. Der 4. Spiegel muß nicht exakt plan ausgeführt werden. Die hierdurch hervorgerufenen Abbildungsfehler lassen sich ohne Nachteile für das Spiegelsystem ausjustieren.

Zur - nicht notwendigen - Korrektur der sphärischen Aberration müßte der 1. Spiegel mit k(1) = -0,6 ellipsoidisch deformiert werden.

Tabelle 1

Tetra-Schiefspiegler Nr. 35: 500 mm F/19 (mm/°)

Abb. 5 zeigt einen Tetra-Schiefspiegler mit 1020 mm Öffnung. Ein solches Spiegelsystem lag bisher weit außerhalb aller Möglichkeiten, weil dies die Restfehler der bisher bekannten Lösungen ausschlossen. Es verfügt über ein beugungsbegrenztes Bildfeld von etwa 40 mm Durchmesser.

Tabelle 2

Tetra-Schiefspiegler Nr. 16: 1020 mm F/18,1 (mm/°)

Verglichen mit einem Refraktor (F/15) hätte dieser Tetra-Schiefspiegler weniger als die halbe Baulänge, einen Tubus mit etwa dem halben Durchmesser (abgesehen von einem kurzen Stück Hauptspiegeltubus) und eine farbenfehlerfreie Abbildung. Da es sich bei dem 4. Spiegel um eine Planfläche handelt, kann mit seiner Hilfe die Richtung des Einblicks variiert werden.

Abb. 6 zeigt einen Tetra-Schiefspiegler mit beseitigter Bildfeldneigung und großem, beugungsbegrenztem Bildfeld.

Tabelle 3

Tetra-Schiefspiegler Nr. 37: 255 mm F/20,5 (mm/°)

Abb. 1 zeigt ein Schema des Erfindungsgegenstandes. Dieser, sowie Darstellungen einiger Ausführungsbeispiele und Beispiele für den Stand der Technik sind in den Abb. 1-7 dargestellt. Insbesondere zeigt:

Abb. 1 Schema eines Tetra-Schiefspieglers

Abb. 2 BUCHROEDER Tri-Schiefspiegler II, 318 mm F/20,2

Abb. 3 KUTTER Tri-Schiefspiegler, 203 mm F/14,7 (Ausführung nicht mit Computer optimiert.)

Abb. 4 Tetra-Schiefspiegler Nr. 35, 500 mm F/19,0

Abb. 5 Tetra-Schiefspiegler Nr. 16, 1020 mm F/18,1

Abb. 6 Tetra-Schiefspiegler Nr. 37, 255 mm F/20,5

Abb. 7 BUCHROEDER Tri-Schiefspiegler I, 254 mm F/19,2

Dabei gelten folgende Vereinbarungen:

- Die Meridionalebene ist diejenige Ebene, die allen Spiegelscheiteln und dem Fokus gemeinsam ist, sofern keine dreidimensionale Anordnung der optischen Elemente gewählt wird. In den Spotdiagrammen liegt sie waagerecht, und im Layout entspricht sie der Zeichenebene.
- Die Tangential- oder Sagittalebene ist in den Spotdiagrammen durch eine punktierte, senkrechte Linie markiert.
- A.D. ist Abkürzung für AIRY Disk. Sie ist in allen Spotdiagrammen durch maßstäbliche Kreise gekennzeichnet. Ihr linearer Durchmesser in Millimetern und ihr angulärer Radius in Bogensekunden sind ebenfalls angegeben.
- Alle Spotdiagramme sind für ebene Bildfelder errechnet worden. Der Abstand zwischen den einzelnen Zerstreuungsfiguren beträgt meridional und sagittal jeweils 10 mm in der Brennebene.
- Die Vorzeichenregelung für die Krümmungsradien R_n, die Drehwinkel α_n und die Scheiteldistanzen e_n, sowie die Bedeutung der Deformationskoeffizienten k_n gehen aus der Legende zu Tabelle 1 hervor. Weiterhin ist:
- - δ die Neigung der Bildebene gegen die optische Achse. Rechtsdrehung: δ < 0.
- - D(δ) Ein Näherungswert für die anamorphotische Verzeichnung, berechnet für die Bildfeldneigung δ. Positive Werte zeigen eine Dehnung in meridionaler Richtung an.

Claims

1. Spiegelsystem vom Typ Schiefspiegler mit folgenden Merkmalen:

- Das Spiegelsystem besteht aus vier rotationssymmetrischen Spiegeln (10, 12, 14, 16), und seine optische Achse wird durch den Hauptstrahl (34) eines auf den 1. Spiegel (10) fallenden, parallelen Lichtbündels (32, 32, 34) definiert;
- jeder der obengenannten Spiegel wird gegen die optische Achse (34) um seinen Scheitelpunkt gedreht;
- die Drehung des 1. Spiegels (10) erfolgt im entgegengesetzten Sinne wie die Drehung des 2. Spiegels (12) und des 3. Spiegels (14);
- der Drehbetrag des konkaven 1. Spiegels (10) wird so gewählt, daß der konvexe 2. Spiegel (12) außerhalb des einfallenden Bündels (32, 32, 34) angeordnet werden kann;
- der Abstand e₁ zwischen 1. Spiegel (10) und 2. Spiegel (12) ist kleiner als die Brennweite F₁ des 1. Spiegels und liegt vorzugsweise in der Nähe von 1/2 F₁;
- das vom 2. Spiegel (12) reflektierte Licht trifft auf einen dritten, konkaven Spiegel (14);
der 3. Spiegel (14) reflektiert das Licht in den vom Strahlengang freien Raum zwischen den Scheitelpunkten der ersten drei Spiegel (10, 12, 14), und dort wird der 4. Spiegel angeordnet;
- nach Reflexion des Lichtes am 4. Spiegel (16) entsteht das reelle Bild des Gegenstandes, ein reelles Zwischenbild gibt es nicht;

dadurch gekennzeichnet, daß

- der Winkel α₃ zwischen der Scheitelnormalen des dritten Spiegels (14) und jenem Teil der optischen Achse (34), der durch die Verbindungslinie zwischen den Scheitelpunkten des zweiten (12) und des dritten Spiegels (14) definiert wird, kleiner als 34°, besser jedoch kleiner als 25°, und für besonders große, gut korrigierte Bildfelder kleiner als 15° ist;
- der 3. Spiegel (14) vorzugsweise in der Nähe des 1. Spiegels (10) angebracht wird.

2. Spiegelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vierte Spiegel (16) als Planspiegel ausgeführt wird.

3. Spiegelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vierte Spiegel konkav ausgeführt wird.

4. Spiegelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Konkavspiegel den vom Betrage her gleichen Krümmungsradius erhält wie ein konvexer Spiegel.

5. Spiegelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der 1. Spiegel (10) asphärisch deformiert ist, mit vorzugsweise k₁ zwischen -0,4 und -0,6, wobei k₁ = -(Exzentrizität)² ist.

6. Spiegelsystem nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ausschließlich sphärische Spiegel eingesetzt werden.