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Schiefspiegler

Eigenschaften

140/150/180/200 mm Öffnung - ohne Abschattung durch Fangspiegel


- mit Blende 11 oder 12 relativ lichtstark


- kompakte Bauweise (gefalteter Strahlengang)


- keine Farbfehler


- beugungsbegrenzte Abbildung für 0.5° Bildfeld


- 100% vignettierungsfreies Bildfeld von 0.5° (mehr als 14 mm Bilddurchmesser)


- geeignet für die Astrofotografie, jedoch nicht für Vollformat CCD ausgelegt
- leichtes Metallgehäuse, schnelle Temperierung durch offenen Tubus


- transportabel, mit Haltegriff , Tragekoffer erhältlich


- aufgrund des geneigten Strahlengangs ist ein Sucher oder LED Peiler erforderlich


- Justage nicht komplexer als bei Newtonteleskop


- 2“ Okularauszug mit etwa 120 mm optischem Weg ermöglicht Nutzung umfangreichen Zubehörs Umlenkspiegel, Binoansatz....)


- leicht an unterschiedlichen Montierungen zu befestigen, für visuelle Beobachtungen ist die EQ 5 für das WS140/150 ausreichend






Spiegelreflexion



Bei den Spiegelbeschichtungen für die Multi-Schiespiegler Teleskope wird eine reflexionsverstärkte Aluminiumbeschichtung eingesetzt. Eine gemessene Reflexionskurve für einen Einzelspiegel ist unten abgebildet. Im sichtbaren Bereich von 400-700 nm wird eine Reflektivität von 96 % erreicht, bei grünem Licht (550 nm) ein Maximum von 97%.
Bei 4 Reflexionen ergibt sich damit ein Lichtdurchlass von (0.96)hoch 4 = 85%.

Bei grünem Licht steigt dieser Wert noch etwas an auf 88%.
Damit ist der Lichtverlust beim Multi-Schiefspiegler etwa 10% grösser als bei einem vergüteten Refraktorobjektiv.
Ein Maksutov-Newton-Teleskop mit 20% Obstruktion besitzt hingegen einen vergleichbaren Lichtdurchlass von 85% aufgrund der 2 Reflexionen an den Spiegeln (0.96) den Refelxionsverlusten an der Meniskuslinse und im Glas (0.96) und aufgrund der Abschattung (1-0.2hoch2).
Damit ergibt sich für den Lichtdurchlass: 0.96hoch3 * (1-0.2hoch2) = 85%


Mit einer geschützten Silberbeschichtung liesse sich das Reflexionsvermögen der Einzelspiegel auf 99% erhöhen. Für den Multi-Schiefspiegler resultiert damit ein Lichtduchlass von 0.99hoch4= 96% für sichtbares Licht im Bereich 500-700 nm.

Bei Silberschichten sinkt Im Blau-Violettbereich des Spektrums das Reflexionsvermögen jedoch deutlich ab. Damit wird auch die Farbwahrnehmung von beobachteten Objekten etwas verändert und dieser Farbbereich etwas unterdrückt. Die kann in speziellen Fällen unerwünscht sein.

Dieser Wert ist mit der Lichtleistung eines Refraktors vergleichbar. Es gelten jedoch die Einschränkungen für den blau-violetten Farbbereich. Zudem fehlen noch Erfahrungswerte zur Haltbarkeit dieser Beschichtungen.

© 2015 - WolterScope, Domplatz 4a, 06108 Halle/Saale

Abbildung: Reflexionskurve eines Einzelspiegels mit Al -

Abbildung: Reflexionskurve eines Silberspiegels -

Optische Grundlagen von Multi-Schiefspieglern

Mit dem WolterScope 200 (150/180) können Sie ein hochwertiges optisches Gerät vom Typ der Schiefspiegler erwerben.

Schiefspiegler wurden ursprünglich von Anton Kutter [1,2] entwickelt. Seine Zielsetzung war es, durch eine Neigung des Hauptspiegels den Zweitspiegel außerhalb des Strahlengangs anzuordnen. Damit lässt sich eine Minderung der Bildqualität durch Abschattungs– und Beugungseffekte vermeiden, wie sie bei den Spiegelsystemen mit einem zentralem Fangspiegel (Newton, Cassegrain usw.) auftreten. Da bei der Reflexion auch keine Farbfehler entstehen, liefern Schiefspiegler grundsätzlich eine perfekte Abbildungsqualität.

Bei dem Multi-Schiefspiegler handelt es sich um eine vollständig neue innovative Weiterentwicklung des Schiefspieglers [3,4]. Das neuartige optische Prinzip des Multi-Schiefspieglers ist durch ein Patent vom Hersteller geschützt worden[5].
Durch Hinzufügen eines Drittspiegels in den Strahlengang und die Doppelnutzung des Zweitspiegels werden insgesamt 4 Reflexionen ausgeführt. Der Strahlenverlauf (Reflexionsfolge 1 - 4) ist in der Abbildung dargestellt. Die Bildentstehung (Fokuslage) erfolgt seitlich hinter dem Hauptspiegel und erlaubt damit eine Beobachtungsgeometrie die einem Refraktor ähnlich ist.

Die optische Anordnung wirkt sich vorteilhaft auf die Bildqualität aus, wie umfangreiche Berechnungen zeigen. Eine Kompensation der Bildfehler wird damit auch bei relativ großen Öffnungsverhältnissen (f/10) und selbst bei Großteleskopen mit mehr als 0.5 m Öffnung möglich. Zudem wird der Lichtweg mehrmals gefaltet, so dass ein sehr kompakter Tubus entsteht.
Der Schwerpunkt des Geräts befindet sich im hinteren Drittel des Tubus und damit recht nah am Okularauszug. Damit ändert sich die Okularposition beim Schwenken des Teleskops nur geringfügig, welches zum bequemen Beobachten beiträgt.

Der Multi-Schiefspiegler ist auch für die Astrofotografie gut geeignet.
Im Gegensatz zu vielen anderen Schiefspiegler-Varianten tritt nur eine geringe Bildfeldneigung von maximal 1.5° auf, die in nahezu jeder Anwendung vernachlässigbar ist, zudem tritt keine Bildfeldwölbung auf. Das vignettierungsfreie Bildfeld wird (wie bei anderen Spiegelteleskopen auch) durch die Groesse des Sekundärspiegels bestimmt und beträgt typischerweise 0.5°.

Damit ist der Multi-Schiefspiegler ein universelles Instrument für den anspruchsvollen Amateurastronomen und ermöglicht Beobachtungen, welche die physikalische Leistungsgrenze der Optik ausschöpfen. Die unvermeidlichen Restfehler des optischen Systems sind deutlich kleiner als die Beugungsscheibe (beugungsbegrenzte Optik) und damit nicht mehr wahrnehmbar.

Aufgrund der relativ hohen Lichtstärke der Optik beschränken sich die Beobachtungsobjekte nicht nur auf Mond und Planeten, sondern das Gerät erschließt auch alle anderen beobachtbaren Objekte. Besonders eindrucksvoll erscheinen beispielsweise kompakte Sternhaufen und Doppelsterne, die mit hoher Auflösung und Vergrösserung beobachtet werden können.

Der kompakte Aufbau und das begrenzte Tubusgewicht ermöglichen zudem auch einen flexiblen Einsatz um günstige Beobachtungsorte aufzusuchen.




Abbildungsgüte

Multi-Schiefspiegler Teleskope liefern eine beugungsbegrenzte Abbildung auf der optischen Achse und bis zu einem Bildfeld von etwa 0.5° (siehe Spotdiagramme). Je nach genauer optischer Auslegung (Öffnung, Blende usw.) kann das nutzbare Bildfeld auch noch etwas grösser sein. Wie beim Kutter Schiefspiegler treten bei grösseren Bildfeldern Koma und Astigmatismus auf. Grösse und Form der ausseraxialen Fehler sind zudem richtungsabhängig. Das Spotbild ist also nicht mehr rotationssymmetrisch. Beim Schiefspiegler ensteht diese Asymmetrie aufgrund der nicht-rotationssymmetrischen Spiegelanordnung. Man unterscheidet dabei zwischen der meridionalen Ebene (gemeinsame Ebene der Spiegelmittelpunkte) und der saggitalen Ebene (senkrecht dazu).

Beim Multi-Schiefspiegler tritt eine geringe Bildfeldneigung von etwa 1.5° auf. Eine entsprechende Unschärfe der Sternabbildung auf fotografischen und CCD- Aufnahmen konnte bisher nicht nachgewiesen werden. Die Bildfeldkrümmung ist ebenfalls vernachlässigbar.

Aufgrund der Hauptspiegelneigung entstehen bei jedem Schiefspiegler die Bildfehler Koma und Astigmatismus auch auf der optischen Achse. Durch Einhalten der Konstruktionsgeometrie und optischen Parameter kann die Koma beim Multi-Schiefspiegler schon konstruktiv vollständig auf der optischen Achse kompensiert werden. Der Astigmatismus wird durch eine präzise Einstellung der Spiegelneigungen ausjustiert. Aufgrund von Temperaturänderungen kann eine geringfügige Dejustage in der Praxis nicht vollständig ausgeschlossen werden. In der Bedienungsanleitung wird ein entsprechendes Verfahren zur Nachjustage beschrieben. Solange es sich nur um kleine Winkelkorrekturen handelt, lässt sich dies mit einer geringen Verstellung der hinteren Spiegel während der Sternbeobachtung erreichen.

In zahlreichen Tests konnte nachgewiesen werden , das bei PKW-Transporten keine Dejustage der Teleskope auftritt. Die Spiegel sind dazu entsprechend stabil am Rahmen fixiert.

Die Abbildungsqualität von Spiegelteleskopen kann in der Praxis durch Wärmeströmungen im Tubus stark beeinträchtigt werden. Bei Abkühlung der Spiegel steigt von deren Oberfläche Warmluft auf, welche als Wärmeschlieren beispielsweise am defokussierten Stern direkt sichtbar werden. Das Teleskop sollte bei der Beobachtung also möglichst gut temperiert sein. Beschleunigen lässt sich die Temperaturanpassung auch durch einen rückseitigen oder seitlichen Lüfter, der die Warmluft von den Spiegeln absaugt.

Spotdiagramme von Multischiefs

Mehrere Designs (1-3) von Multi-Schiefspieglern mit 140/150/200 mm Öffnung und Blende f/11 wurden mit der TCT- Software von J. Sasian [4] berechnet. Entsprechende Spotdiagramme für 0.5° Bildfeld (entspricht etwa Vollmondgröße) werden nachstehend gezeigt.
Design 1 - Ein Spotdiagramm beschreibt die Fokussierung eines parallelen Strahlenbündels für axiale und außeraxiale Strahlen (letztere mit Neigungen von +/- 0.25°). Der Kreis um den zentralen Spot entspricht der natürlichen Beugungsscheibe (Airy-Scheibe). Diese beschreibt die minimale Ausdehnung des fokussierten Strahlenbündels und wird durch Beugung an der Eintrittsapertur erzeugt. Jeder Bildfehler dessen Spotmuster sich innerhalb dieser Ausdehnung befindet, ist nicht mehr wahrnehmbar.Die Grafiken wurden mit der winspot-Software von D. Stevick [4] erstellt. Design (1) ist mit einem Öffnungsverhältnis von f/11 bereits recht kompakt (Tubuslänge von 680 mm) und besitzt eine beugungsbegrenzte Bildqualität für ein Feld von nahezu 0.5°.
Die zugehörigen geometrischen und optischen Daten für Design 1 sind in der nachfolgenden Tabelle dargestellt. Dabei bezeichnet die 4. Reflexion die erneute Reflexion am Zweitspiegel. Spiegeldurchmesser in Klammern beziehen sich auf die für ein vignettierungsfreies Bildfeld von 0.5° erforderliche Reflexionsfläche. Die 4. Reflexion erfolgt um einen bestimmten Abstand versetzt von der 2. Reflexion auf dem Zweitspiegel. Daher ist der Zweitspiegel hier effektiv um 9 % größer als der Hauptspiegel dimensioniert.
Da das optische System des Multi-Schiefspieglers nur sphärische bzw. parabolische Spiegel verwendet, sind diese relativ einfach kommerziell herzustellen. Die Spiegelschleifer unter den Amateuren können die Optik sogar selbst produzieren. Aufgrund der 4-fachen Reflexion addieren sich die Einzelfehler der Spiegel näherungsweise in geometrischer Weise auf.
Bei einem 4-Spiegelsystem sollte daher die Einzelflächen eine doppelte Genauigkeit gegenüber einem 1-Spiegelsystem aufweisen. Damit wird ein vergleichbarer Fehler in der Wellenfront sichergestellt.

Werden Haupt - und Zweitspiegel von gleicher Größe verwendet (beispielsweise mit 150 mm Durchmesser) so sollte die freie Öffnung auf 140 mm reduziert werden, damit ein vignettierungsfreies Bildfeld von etwa 0.5° erhalten bleibt. Um eine Öffnung von 150 mm und ein Bildfeld von 0.5° zu nutzen, sollte der Durchmesser des Zweitspiegels etwa 160 mm betragen.



Daten der Multi-Schiefspiegler (Design 1-3)

Design Nr./Öffnungsverhältnis /Öffnung
Spiegelnr. Brennweite Spiegeldurchmesser Spiegel-Radius in mm Abstand Spiegelneigung Konische Konstante

1 f/11 150 mm
Spiegel 1 -7200 535 -8.60° 0
Spiegel 2 160(132) 7200 495mm +8.06° 0
Spiegel 3 150(140) -2430 505mm +2.75° -1 (-0.88)
1668 mm
4. Reflexion (80) 7200 777mm -13.95° 0

2 f/11 150mm
Spiegel 1 -7200 500mm -9.20.° 0
Spiegel 2 150(122) 7200 465mm +8.50° 0
Spiegel 3 125 -2300 475mm +3.00° -1 (-0.85)
1554 mm
4. Reflexion (76) -7200 745 -14.90° 0

3 f/10.7 200 mm
Spiegel 1 200 - 11000 713 -9.10° 0
Spiegel 2 2 200 (160) 11000 679 +8.51° 0
Spiegel 3 200 (190) - 3250 691 +2.55° -1 (-0.90)
2144 mm
4. Reflexion (120) 11000 1024 -13.93° 0

Die angegebenen Konstruktionen sind als Beispiele zu sehen. Es ist nicht ausgeschlossen, dass andere optische Designs zu einer besseren Optimierung bestimmter Eigenschaften führen. Alle Längenangaben erfolgen in mm (Werte gerundet). (Durchmesser) beschreibt die für ein vignettierungsfreies Bildfeld von 0.5° begrenzte Größe des Hauptspiegels und der jeweils beleuchteten Teilflächen ( 2. + 4. Reflexion) von Zweit- und Drittspiegel.
Die angegebenen Öffnungsverhältnisse beziehen sich auf die tatsächliche Öffnung.
Ein negativer Spiegelradius bezeichnet konkave Spiegel, positive Werte konvexe Spiegel. Der Reflexionswinkel beträgt 2 x Spiegelneigung.
Die konische Konstante k ist definiert als k = - (Exzentrizität)2. Die Angabe in ( ) gibt den Wert für k bei exakter Kompensation des sphärischen Fehlers an.

©WolterScope 2013

Design 1

Design 1 - Ein Spotdiagramm beschreibt die Fokussierung eines parallelen Strahlenbündels für axiale und außeraxiale Strahlen (letztere mit Neigungen von +/- 0.25°). Der Kreis um den zentralen Spot entspricht der natürlichen Beugungsscheibe (Airy-Scheibe). Diese beschreibt die minimale Ausdehnung des fokussierten Strahlenbündels und wird durch Beugung an der Eintrittsapertur erzeugt. Jeder Bildfehler dessen Spotmuster sich innerhalb dieser Ausdehnung befindet, ist nicht mehr wahrnehmbar.Die Grafiken wurden mit der winspot-Software von D. Stevick [4] erstellt. Design (1) ist mit einem Öffnungsverhältnis von f/11 bereits recht kompakt (Tubuslänge von 680 mm) und besitzt eine beugungsbegrenzte Bildqualität für ein Feld von nahezu 0.5°.

Design 2

Design 2 - Eine weitere Variante eines Multi-Schiefspieglers mit 140 mm Öffnung wurde mit einem Öffnungsverhältnis f/11 berechnet (Design 2). Das Spotdiagramm ist nebenstehend dargestellt. Auch hier wird eine beugungsbegrenzte Abbildungsgüte auf der optischen Achse erzielt. Die außeraxialen Fehler sind etwas größer als bei Design 1. Die entsprechenden Daten sind in der Tabelle, Design 2 angegeben. Gegenüber Design 1 wurde hier die Brennweite des Drittspiegels reduziert und damit das Öffnungsverhältnis erhöht. In Design 1 wird ein Parabolspiegel mit 150 mm Durchmesser und f/8.1 verwendet und in diesem Fall ein Spiegel mit 150 mm Durchmesser und f/7.7. Haupt - und Zweitspiegel sind identisch mit denen von Design 1. Mit dieser Variante wird eine sehr kompakte Bauform erzielt. Die Tubuslänge dieses Teleskops beträgt nur 620 mm.

Design 3

Design 3 beschreibt die optische Auslegung für ein System mit 200 mm Öffnung und einem Öffnungsverhältnis f/10.8. Das entsprechende Spotdiagramm zeigt eine beugungsbegenzte Abbildungsgüte für ein Bildfeld von nahezu 0.5°. Die Tubuslänge des Teleskops beträgt etwa 960 mm und das Gewicht etwa 15 kg. Die entsprechenden optischen Daten sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben.