maksutov

Hallo zusammen,

nachdem hier so fleissig geschliffen und poliert, wollte ich auch mal was zum Besten geben.
Ich arbeite grade an einem kleinen Maksutov, mit D = 100 mm. Die Idee dazu war, etwas Kompaktes zu haben, was nicht justiert werden braucht, mit dem man auch mal terrestrisch gucken kann. Um es einfach zu halten, soll es die Gregory-Variante sein, wo der Fangspiegel direkt auf der Meniskus-Innenseite aufgedampft ist. Und alle Flächen sphärisch, keine Parabolisierung.

Im Netz hab ich zu Maksutovs nicht so wahnsinnig viel gefunden; hilfreich ist Kap. 11 in 'Telescope Optics' von Rutten & van Venrooij, und z.B. diese Links:
http://www.telescope-optics.ne…_cassegrain_telescope.htm
http://www.cfht.hawaii.edu/~baril/Maksutov/Maksutov.html (wobei der einen separaten Fangspiegel hat).

Da man brauchbare Konfigurationen nicht so einfach ausrechnen kann wie z.B. bei einen Newton, und ich von der Theorie her auch keine Ahnung habe, hab ich mir eine kleine Simulation geschrieben, die per Monte-Carlo-Verfahren gute Varianten heraussucht. Mit OSLO habe ich auch versucht, per Optimierung an gute Konfigurationen zu kommen, aber irgenwie hat das nicht richtig funktioniert. Wie kann man z.B. optimieren unter der Randbedingung, dass die eff. Brennweite einen bestimmten Wert einhält ?
Falls jemand Interesse hat, kann ich die Simulation irgendwo hochladen. Aber ohne Garantie auf irgendwas

Jedenfalls, meine Maksutov-Erkenntnisse sind:
- die Differenz der Krümmungsradien des Meniskus, d_R = R2 - R1, hängt eng mit der Glasdicke t zusammen; bei BK7-Glas läuft das auf: t = 1.70*(R2 - R1) hinaus (siehe auch Rutten & van Venrooij). Wenn man das nicht einhaelt, gibt es chromatische Aberration.
- die Krümmung des Meniskus korrigiert die sphär. Aberration des Hauptspiegels. Je dünner der Meniskus, desto stärker muss er gekrümmt sein.
- Bildqualität: je dicker der Meniskus, desto besser die erreichbare Abbildungsqualität. Ist aber kein dramatischer Unterschied, auch mit dünnem Meniskus kann man gute Bildqualität erreichen. Und: je länger die eff. Brennweite, desto besser die Bildqualität.

Also, ich bin kein gelernter Optiker - falls irgendwas davon Quatsch ist, bitte melden

<Fortsetzung folgt>

Hier das angepeilte Design:

Man sollte auch die nötigen Toleranzen anschauen, damit das Ganze realisierbar bleibt. Knackpunkt ist hier vor allem der Meniskus, und zwar der Keilfehler zwischen Vorder- und Rückseite (R1 zu R2), die Radius-Differenz d_R = R2 - R1, und der Fehler bei der Glasdicke d_t.
Für Strehl = 0.95 kann ich mir laut OSLO diese Fehler erlauben:
- Keilfehler < 110 um (kommt mir ein bisschen viel vor..)
- d_R < 55 um
- d_t < 140 um
Die Radien an sich sind nicht so kritisch, ich peile mal +- 1 mm an (per Sphärometer, oder direkt messen).

Mit einer Messuhr, einer Mikrometerschraube, und ein paar Resten aus der Bastelkiste hab ich was zusammengenagelt und -geklebt, was aber erstaunlich gut funktioniert: Sphärometer, Keilfehler-Messgerät, Glasdicken-Messer:

Damit sollte erreichbar sein:
- Keilfehler < 10 um (vermutlich sogar < 5 um)
- d_R < 500 um
- d_t < 20 um

Das ist alles im grünen Bereich, ausser bei d_R. Aber da könnte folgendes funktionieren:
- die Vorderseite (R1) fertig schleifen, polieren
- die Rückseite (R2) anpolieren, und von vorne mit dem Foucault-Tester die Brennweiten-Differenz messen. Mit der (gemessenen) Glasdicke t kann man dann d_R berechnen. Da der Foucault-Tester ziemlich genau ist, sollte d_R < 20 um möglich sein. Allerding muss man dann auch die Glasdicke genau messen, d_t < 30 um (oder so)..

Stand Meniskus heute: ca. 280 g Glas entfernt, und diese formschöne Müslischale erhalten (mittlerweile im Feinschlliff):

Der Hauptspiegel ist auch im Feinschliff, von vorne angebohrt.

Hallo,

danke für die Kommentare [:)], ich hoffe dass zum Schluss wirklich ein brauchbares Teleskop dasteht..

(==>)Holger: bei der Obstruktion peile ich mal 30 % an (lin.); mit den Blenden ist das gar nicht so einfach.. vielleicht mache ich sie (teilweise) abschraubbar, dann kann man sichs aussuchen.
Und wegen dem Keilfehler: du hast absolut recht, die grosse Toleranz beim Meniskus kommt mir auch komisch vor, aber OSLO spuckt das so aus. Eingegeben hab ich es beim ersten Radius (R1), 'Special' --> 'Coordinates' --> 'Rotation Angles (degrees)' --> 'TLA'. Eine Bogenminute wären 0.0166 Grad, und da sagt er Strehl 0.981. Muss man das anders eingeben, oder hat OSLO da ein Problem ? Wie hast du das ausgerechnet?

(==>)wolfi: du meinst statt Pech einfach Wachs? Probier ich mal aus.
Zemax hätt ich auch gern, da könnte ich z.B. das mit dem Keilfehler gegenprüfen

(==>)Nils: ich gebe mein Bestes [8D]

Grüsse,

Wolfram

ok das Problem bei dem Keilfehler und OSLO hab ich gefunden: wenn man eine Oberfläche dreht wie oben beschrieben, dann werden alle folgende Flächen auch gedreht. Sieht man, wenn man einen grösseren Winkel eingibt. Um mein Problem zu simulieren, muss ich also die R1-Fläche hindrehen, und die folgende (R2) um den gleichen Winkel zurückdrehen.
Für Strehl = 0.95 schrumpft der erlaubte Keilfehler so auf (realistische) 10 um.

So, hier mal ein Update:
die Müslischalen-Vorderseite (R1) ist inzwischen auspoliert (naja, sagen wir Stufe 8-9 auf der Stathis-Skala):

und ist, nach einigem Hin und Her, auch gut sphärisch geworden, wie diese Foucault-Aufnahme zeigt:

Die dunklen Bereiche oben und unten sind nicht im Glas, sondern liegen irgendwo in der Optik. Die Optik, um den Foucault überhaupt vernünftig anschauen zu können, war eine separate Tüftelei: der Meniskus steht im Abstand von 145 mm, bei einem Durchmesser von 110 mm - sehr gross! Mit einem 12 mm Okular direkt hinter der Messerschneide, gefolgt von einer 20 mm Lupe, hat es dann funktioniert. Im Prinzip ein umgedrehtes Fernrohr.
Es sind noch ganz leichte Zonen zu erkennen, aber die Höhenunterschiede dürften irgendwo bei einigen 10 nm liegen. Auch der Rand ist einigermassen gut integriert; und die äusseren 3 mm werden noch wegmaskiert. Also akzeptabel, vor allem weil das ja nicht als Spiegel arbeitet, sondern in der Durchsicht.

Jetzt kommt die Rückseite (R2) dran, und die Einstellung des Krümmungsradius will ich über den Foucault-Test machen, weil das Sphärometer bei weitem nicht genau genug ist.
Das soll so funktionieren: R2 anpolieren, und von vorne mit dem Foucault-Tester die Schnittweiten-Differenz SD des Brennpunkts von R1 zum Brennpunkt von R2 messen. Die Simulation sagt SD = 8.9638 mm, d.h. die Brennpunkte liegen idealerweise bei 145 mm und 136.0362 mm vor dem Meniskus. Ich messe also SD, und stelle die Krümmung von R2 durch den Feinschliff so ein, dass eben SD = 8.9638 mm herauskommt. Dabei reduziere ich die Glasdicke auf den Zielwert 14.66 mm, und behalte auch den Keilfehler im Auge. So der Plan.

Noch mal eine genauere Fehlerbetrachtung:
ich kann die Glasdicke t falsch gemessen haben, mit Fehler d_t. Oder den Radius von R1, mit Fehler d_R1. Oder den Foucault-Tester falsch abgelesen, mit Fehler d_z. Daraus ergeben sich dann, mit der beschriebenen Methode, Fehler von R2. Wenn man die einzelnen Fehler separat betrachtet, wären für einen Strehl = 0.95 noch ausreichend:
- d_t < 100 um
- d_R1 < 0.7 mm
- d_z < 55 um
Bei d_t und d_z sind sind ca. 20 um realistisch machbar, bei d_R1 ca. 0.3 mm. Das sollte also hinhauen.. so die Theorie. Mal schauen, was die Realität dazu sagt [:p]

Wolfram

So, mal wieder ein Update: die Meniskus-Rückseite (R2) erkläre ich soweit für fertig:

Die oben beschriebene Methode, die Brennweite genau einzustellen, indem man mit dem Foucault-Tester die Differenz der Brennpunkte von Vorder- und Rückseite misst, hat letztendlich gut funktioniert: ca. 8 Sessions Schleifen - Polieren - Messen waren nötig, dann hat die Differenz SD gepasst, dann auspolieren. Hier eine kleine Skizze zu der Methode:

Naja, ganz so reibungslos wars dann doch nicht: SD war erst ein bisschen zu klein, und ich wollte das beim Polieren korrigieren. 'Zu klein' bedeutete hier, die Krümmung zu verstärken, also Material am Rand abzutragen. Deshalb TOT mit grossem Überhang poliert.. aber kaum eine Reaktion. Irgendwann Sub-Tool gemacht, um gezielt den Rand angreifen zu können: nur mässige Reaktion, aber dafür jetzt fette Zonen :-(. Um eine Polier-Odyssee zu vermeiden, zurück zum Feinschliff (MG 3 u), Krümmung korrigiert, Politur. Ging dann aber relativ zügig.

Noch ein paar Details, die sich nach und nach rausstellten. Im Gegensatz zur Vorderseite, die wie ein normaler Spiegel funktioniert, reflektiert die Rückseite durch das davor liegende Glas nicht ganz so perfekt:

- der Brennpunkt hat eine leichte Abhängigkeit von der Wellenlänge, blaues Licht hat einen kürzeren Brennpunkt als rotes (ca. 50 um Unterschied). Dadurch bekommt man ein schön buntes Foucaultbild (weisse LED):

Um besser messen zu können, eine grüne Filterfolie dazwischen geklemmt (aus einer Rot-Grün-Brille..), denn die im vorigen Post genannte Differenz SD = 9.864 mm war für Grün berechnet.

- es ist kein exakter Null-Test mehr, der Rand hat eine leicht verkürzte Brennweite in Relation zur Mitte. Ist nicht viel, laut Simulation ca. 14 um Unterschied (bei moving light source). Man kann es sehen, aber nicht mehr wirklich ausmessen.. auch davon noch ein Foto:

So, und jetzt.. muss man allmählich mal ans Verspiegeln denken: der Meniskus muss ja nur in einem kleinen Bereich in der Mitte verspiegelt werden - wie macht man das ? Ich könnte aus Blech eine Maske ausschneiden, die man am Rand dranklipsen könnte. Oder gibt es Firmen, die geeignete Masken haben ? Hat jemand Erfahrung damit ?

Wolfram

Hallo Holger,

das ist tatsächlich ein bisschen der Knackpunkt.. ich habe zum Schluss mit weniger Überhang poliert, so dass sich (mehr oder weniger) automatisch ein Sphäre ergeben sollte.
Ausserdem sehe ich mit dem Foucault-Tester, dass die Schnittweiten-Differenz zwischen Mitte und Aussen ganz ordentlich passt, auch wenn ich es nicht mehr (bis auf den um) genau vermessen kann. Wenn es halbwegs passt, sollte der Strehl immer noch ziemlich gut sein ( >= 0.95).

Und.. ich hab geschaut, was passiert denn eigentlich, wenn man so polieren würde, dass es im Foucault-Test zu einem Nulltest wird. Ergebnis: wenn man zum Ausgleich die Brennweite von R2 ein bisschen verkürzt (um ca. 60 um), dann ist die Abbildungsqualität praktisch genau so gut wie im ursprünglichen Design. Das probiere ich gerade aus, denn ich hab aus Sicherheitsgründen, und weil es sich anbietet (man kann gegeneinander schleifen), 2 Stück davon gemacht. Mal schauen,was dabei rauskommt.

Hallo zusammen,

danke für die Glückwünsche [:)]
Aber, es ist ja noch nicht fertig alles, kann immer noch genug schiefgehen.. (wenn ich mich irgendwo verrechnet hätte.. [:0] )

(==>)Kai: oh, das wäre natürlich cool, danke für das Angebot ! Wie könnte ich dich denn kontaktieren ?

Hallo Gerd,

meinst du 90 mm sind zu wenig ? Sie stammen davon, als ich überlegt hatte, wieviel Platz braucht es, um meine Kamera anschliessen zu können.. aber ich muss zugeben, über Zenitspiegel hab ich mir bisher noch nicht so viel Gedanken gemacht, nur so ein bisschen..
Immerhin, das Scharfstellen soll über Verschieben des HS passieren, da kann man dann auch problemlos einen deutlich grösseren Backfokus einstellen; das Bild leidet dabei nicht so sehr. Allerdings geht eff. Brennweite dann auch hoch, und ich wollte, dass sie im Rahmen bleibt..

Beim OAZ jedenfalls nur 1,25“, ein 2" wäre bei so einem kleinen Teil irgendwie überdimensioniert, oder? Das Loch im HS hat 25 mm Durchmesser.

So, das Wort zum Samstag.

Den Hauptspiegel hab ich fertig poliert, hier im Foucault:

Sieht ordentlich eben aus, bis zum Rand, nur zum Loch in der Mitte hin ein leichter Abfall, der aber im FS-Schatten veschwinden sollte.
Das Loch hatte ich von vorne vorgebohrt bis auf 4-5 mm, dann geschliffen und poliert, in der Hoffnung, dass beim kompletten Durchbohren sich nichts mehr verzieht. War aber nicht ganz so: nachdem der Kern draussen war, zeigten sich leichte Zonen.. nach einem kurzen Verzweiflungsanfall dann aber weiterpoliert, und nach 1 h waren die Zonen zum Glück wieder weg.

Beim Meniskus konnte ich es nicht lassen, und habe die weiter vorne beschriebene Null-Test-Methode für die Rückseite (R2) ausprobiert. Also R2 ein bisschen verkürzen per Feinschliff, und dann so polieren, dass es im Foucault (durch das Glas hindurch) wie eine Sphäre aussieht:

Also ganz perfekt ist es nicht; der Rand scheint etwas hochgezogen, aber er wollte einfach nicht verschwinden, trotz Daumeneinsatz. Aber ist wohl halb so wild, weil das alles nur 'in Durchsicht' arbeiten wird.. wichtiger ist die Mitte, wo der Fangspiegel aufgedampft wird.
Zum Aufdampfen des FS noch eine Maske aus Alu-Blech gebaut, zum Draufschieben; mittlerweile ist das beim Kai, der mir das freundlicherweise aufdampfen will.. ich bin gespannt

Und jetzt muss wohl ein Tubus gebaut werden.. auch das noch..

Wolfram

Hallo, nach einiger Zeit wieder ein Update.. nachdem die Optik schon letzten Herbst fertig war, hab ich etwas Zeit gebraucht, um eine Mechanik für den Tubus auszutüfteln, die zum einen gut funktionieren könnte, zum anderen mit meinen (begrenzten) Mitteln machbar wäre.
Das ist herausgekommen:

Der Meniskus und der Hauptspiegel werden jeweils von einer Halterung gefasst, die Justierschräubchen besitzen, so dass man einigermassen bequem kollimieren kann. Hier die Meniskus-Halterung:

Die Halterungen haben 3 bzw. 4 kurze Stangen (3 mm Wellen), die in entsprechende Buchsen im Tubus greifen:

Die HS-Halterung wird mit in den Buchsen versenkten Schräubchen fixiert, und sitzt dann also fest. Die Meniskus-Halterung dagegen ist in Längsrichtung beweglich, so dass man damit fokussieren. Den Fokus stellt man mit einem seitlich montierten Rädchen ein, das mittels einer Gewindestange die Menikus-Halterung bewegt:

Damit das gut flutscht, müssen die 4 Stangen sauber parallel sein. Das hat aber gut funktioniert, und der Meniskus lässt sich leicht und ohne Spiel bewegen --> keinerlei Shifting zu sehen.
Hinten am Tubus ist eine Aluplatte mit T2-Aussengewinde montiert, so dass man alles mögliche dranschrauben kann:

Es fehlen noch ein paar Teile, eine Verkleidung vorne und hinten, Bohrungen für die Prismenschiene, aber es ist ein Ende in Sicht.. !
Ach ja, und die Streulicht-Blenden: das ist eine Thema für sich, und ziemlich wichtig, weil man ohne Blenden praktisch nichts sehen kann. Da schreib ich später noch was dazu..

Die Justage mache ich über die Abrollmethode, wo der Tubus in einer V-förmigen Halterung gedreht wird, und man die Reflexe eines Laserpointers daraufhin kontrolliert, dass sie beim Drehen des Tubus (einigermassen) stillstehen - funktioniert gut.

Ich habe noch keinen Sterntest gemacht, aber die ersten Blicke durchs Okular zeigen ein scharfes, sauberes, knackiges Bild - das ist so.. geilomat !

Und dann brauche ich noch ein Stativ bzw. eine Montierung - hat mir da jemand einen Tipp ? Es soll kompakt und leicht sein, mit Motor-Nachführung, aber nicht unbedingt GoTo.. Geld spielt nicht so eine grosse Rolle. Das Teleskop wiegt insgesamt ca. 2.5 kg.

Grüsse,

Wolfram

So, finito, hier das Endergebnis:

Die Montierung ist eine Skywatcher AZ-GTi, auf einem Reisestativ von Sirui. Die Schutzkappen oben und unten stammen aus einem 3D-Drucker.. eine feine Sache, so ein 3D-Drucker.
Zusammen wiegt alles ca. 5 kg, und passt zusammengelegt in einen (grösseren) Rucksack.

Noch was zum Blendrohr des Hauptspiegels: wenn man alles Streulicht aus der Bildebene abschirmen will, muss man in dem 'normalen' 2-Blenden-Design die vordere Blende (und damit die Obstruktion) ausreichend vergrössern. Hier wäre das auf ca. 38 % Obstruktion hinausgelaufen, obwohl für die Abbildung an sich nur ca. 25 % ausreichend wären.. so was blödes. Da kam die Idee, eine 3.te Blende einzubauen, und zwar in dem Bereich, wo die Strahlen vom HS zum Fangspiegel laufen. Per 3D-Drucker fabriziert sieht das so aus:

Die 3 dünnen Streben zu dieser Vor-Blende waren etwas wackelig, deshalb dort noch etwas Stahldraht drangeklebt. Das Streulicht wird vollständig abgeschirmt, so dass man auch gut am Tag beobachten kann. Das Obstruktionsbild sieht so aus:

Die zentrale Obstruktion ist ca. 30 %.

Nachdem ich anfangs die Bildqualität super fand, gabs dann beim ersten richtigen Sterntest eine Ernüchterung: ich konnte nicht richtig scharfstellen, kein schönes Beugungscheibchen, sondern nur so eine Art Matsch-Häufchen.. Nach dem ersten Schock-Grübeln ('was hab ich nur falsch gemacht') kam dann als mögliche Ursache eine Verspannung des Spiegels und des Meniskus in Frage: ich hatte die beiden nämlich in ihrer jeweiligen Halterung sowohl seitlich als auch längs festgeklemmt; zwar nur 'sanft', aber es können schon einige kg an Druck gewesen sein, was dann zu einer Verformung geführt haben könnte. Deshalb die Klemmungs-Schräubchen so weit rausgedreht, dass die Teile ein bisschen Spiel haben. Und schwupps - alles gut ! Beide Teile (HS und Meniskus) haben jetzt seitlich etwas Spiel (ca. 1/10 mm), und werden längs per Schraubenfeder sanft auf die Auflagefläche gedrückt.
Hier ein (künstlicher) Sterntest, eingezeichnet ist auch das Rayleigh-Auflösungsvermögen für D=100 mm, von ca. 1.4 Bogensekunden:

Da kann man nicht meckern, oder ?

Grüsse,

Wolfram