Kollimation des Yolo Schiefspieglers

Hallo Interessierte

Der Yolo Schiefspiegler ist visuell einem Apochromaten gleicher Öffnung mindestens ebenbürtig. Die optimale Kollimation ist dafür Voraussetzung. Ich möchte dafür eine Anleitung in kleiner Folge geben. Das konkrete Vorgehen werde ich dann an einem Beispiel erläutern.

Die Justage erfolgt am besten, wenn der OTA (oder besser OCA optical case assembly…) sich noch im Gerüst befindet. Spiegelastand und Winkel sind wie vom Design vorgegeben realisiert:

Der lange Radius des Sekundärspiegels soll möglichst genau meridional (wie die Spiegel gekippt sind) orientiert sein, auf dem Bild in der Senkrechte. Dies genau zu erreichen wird primär in der Regel nicht gelingen, wir kommen darauf zurück.

Mit dem Okularauszug sollen die Spiegel konzentrisch sein. Dies wird mit den Stellschrauben der Spiegel erreicht, so wie man es beim Newton Teleskop bewerkstelligt. Das Bild sieht dann so aus, wie Texereau es so schön gezeichnet hat, aber ohne Auge. Das Auge sieht man nur in Autokollimation.

Alternativ kann man dazu einen Laserkollimator in den Okularauszug stecken, die Spiegel mit je einer zirkulär passend geschnittenen Maske mit zentrischem Loch abdecken:

Die Justierung damit ist selbsterklärend. Der Strahl soll das Teleskop mittig verlassen. Siehe roten Punkt auf dem Lineal.

Die weitere Kollimation erfolgt am Stern analog zum Procedere beim Newton Teleskop. Es gibt aber einen prinzipiellen Unterschied: Beim dejustierten Yolo werden wir meridional wegen der Kippung der Spiegel primär nicht Koma, sondern Astigmatismus erwarten, in der sagittalen Ebene naturgemäss Koma. Erklärend ist die Graphik aus Suiter „Star Testing Telescopes“.

Konkretes dazu folgt.

Mit Gruss Beat

Kollimation des Yolo am Stern kann konkret heissen am Polarstern, wenn wir das im Bau befindliche Instrument noch nicht auf eine Nachführung bringen können. Wenn aber möglich, können wir es zu diesem Zweck sowohl equatorial wie auch azimutal montieren. Ich habe es folgendermassen improvisiert:

Ein künstlicher Stern müsste relativ weit entfernt sein, damit nicht zusätzlicher Astigmatismus auftritt. Für ein 6 Zoll Yolo 1:12 etwa 350 Meter. Die Spitze eines unserer Klostertürme ist gerade so weit weg und ich könnte die Sonnen Reflexe von verschiedenen Reflektoren auswählen. Die davorliegenden Dächer verursachen aber zu viel Thermik.

Bequem ist die Arbeit in Autokollimation. Einen Planspiegel adäquater Güte herzustellen ist für uns Spiegelschleifer keine besondere Herausforderung. Als Testoptik könnten wir wahrscheinlich den Primärspiegel des Yolo benutzen, weil er nur ganz geringfügig asphärisch ist. Die Interferometrie dürfte dies möglich machen. (Meine Planspiegel habe ich an einer 300mm Referenzsphäre damals noch mit Foucault allein geprüft). Der Aufbau in Autokollimation:

Die Punktquelle ist eine nicht lasende rote Laserdiode oder ein Pinhole (Durchmesser die Hälfte des AD entsprechend dem Oeffnungsverhältnis), beleuchtet mit einer hellen LED. Der Strahlteiler auf dem Bild ist ein Würfel, kann auch ein Bino Ansatz sein: Die Punktquelle auf der einen, das Okular auf der anderen Seite.

Unser Instrument ist vorjustiert, wie oben beschrieben. Wir werden im Okular wahrscheinlich etwa folgendes intra und extrafokales Bild haben:

Also Astigmatimus, bedingt vorab durch einen Rotationsfehler des Sekundärpiegels. Dieser soll als nächstes korrigiert werden. Ich empfehle, sich die Drehrichtung anhand des Bildes im Okular zu merken: im oder gegen der Uhrzeiger, weil die notwendige Drehung Bruchteile eines Winkelgrades betragen und wir immer wieder in die eine oder andere Richtung überkorrigieren bis endlich die Mitte gefunden ist. Es sieht dann in der Regel so aus:

Der Astigmatismus muss nun noch in der meridionalen Eben korrigiert werden. Dazu mit der passenden Justierschraube den Primäspiegel kippen. Ich habe auf dem Instrument notiert: Falls extrafokal der Astigmatismus „liegt“, dann Meridionalschraube lösen. Wir werden das Instrument auf dem Feld wahrscheinlich gelegentlich damit (und in der Regel nur damit, so einfach…) nachjustieren müssen und sind in der Dunkelheit froh um einfache Regeln.

Zur Illustration nochmals der Aufbau in. Die roten Pfeile für die Rotation des Sekundärspiegels, die Meridionalschraube rot umrandet.

Am Ende dieses Procedere soll es intra und extrakokal so aussehen:

Es wird in der Regel aber nicht ganz so perfekt aussehen. Warum erläutere ich in der nächsten Folge.

Mit Gruss, Beat

Mit der bis jetzt durchgeführten Justage sind wir dem Ziel nahe. Damit wir aber das Optimum aus dem Yolo Schiefspiegler herausholen wollen, müssen wir eine „Feinkorrektur“ anschliessen.

Wir beobachten nun im Fokus. Die PSF wird in der Regel etwa so aussehen:

Die bisher durchgeführte Kollimation hat offensichtlich den Astigmatimus noch nicht ganz beseitigt. Wir haben aber so weit korrigiert, dass wir eine versteckte Koma Aberration sichtbar gemacht haben.

Dieses Foto der PSF ist beim leider inzwischen verstorbenen Alois Ortner entstanden, als ich erstmals Gelegenheit hatte mein 6 Zoll Yolo zu testen. Mit den genannten Restaberrationen hatte das Teleskop einen Strehl von 0.94, ohne 0.98. Wir bewegen uns also in einem Bereich hoher Güte.

Den Astigmatismus müssen wir nun durch (minimale) Drehung des torischen Sekundäspiegels in die Meridionale bringen und dann mit der Meridionalschraube korrigieren, wie oben beschrieben.

Die Koma bringen wir in die Meridonale mittels sagittalem Kippen des Primärspiegels. Das Resultat kann dann folgendermassen aussehen:

Eine verbleibende minimale Koma, hier„nach unten“.

Zur Korrektur dieser Koma müssen wir beim Yolo den Winkel des Sekundärspiegels verändern. Dazu verschieben wir den Okularauszug „nach oben“ oder „unten“, in der Regel nur um wenige mm. Der Auszug kann definitiv befestigt werden wenn die Koma korrigiert ist.

Bei dieser Justage wird wieder etwas Astigmatismus auftreten. Ein iteratives Vorgehen bringt uns zum Ziel.

Beim 6 Zoll Yolo war auf diese Weise eine perfekte Kollimation zu erreichen. Wir können das Resultat z.B. mittels Interferometrie festhalten. Die errechnete PSF ist mit der am Okular identisch:

Damit sind wir dem theoretischen Abbildungsvermögen des Designs (Strehl 0.999) sehr nahe gekommen. Die exakte Kollimation hat sich gelohnt.

Somit kann ich meine Anleitung abschliessen.

Dankbar nehme ich Anregungen, Korrekturen, Kommentare, Fragen entgegen.

Mit Gruss, Beat

Hallo Rainer
Etwas knifflig, ja. Die Rotation des Sekundärspiegels werden wir aber nicht korrigieren müssen, falls wir einen Kasten bauen, der verwindungsfest ist. Ich habe daher die Idee verworfen, dafür einen eigenen Mechanismus einzubauen.
Ich wäre interessiert zu wissen, ob die "Spiegelverspanner" dieses Problem auch beachten und wie sie es lösen.

Hallo Georg
Danke für den Kommentar. Wirst du noch berichten? Würde mich (und whs uns) interessieren.

Gruss, Beat

Danke, Guntram für Deine Anerkennung.
Wenn der Sekundärspiegel gut gelungen ist, das Yolo einen Strehl gegen 1 hat, genügt die Justage der Rotation mittels Markierungen allein nicht. So jedenfalls meine Erfahrung. Aber wir werden die Spiegel ja nicht so häufig neu belegen müssen, sodass das kein Problem ist.
Gruss, Beat

Ich mache gerne einen Nachtrag, nachdem ich mich an ein kurzbrennweitiges Yolos mit f/8 gewagt und neue Erfahrungen gemacht habe.

Über den Schliff des dazugehörigen Toroids habe ich berichtet: http://www.astrotreff.de/topic.asp?TOPIC_ID=242628
Die Kollimation erfolgt im Prinzip gleich, ist aber etwas schwieriger, weil sie besonders genau sein muss: Das Feld mit beugungslimitierter Abbildung ist relativ klein, etwa so wie bei einem Newton f/4.5.

Die Einzelspiegel hatte ich interferometrisch ausgemessen:
Primärspiegel 130mm:

Sekundärspiegel 100 mm, Toroid:

Beim Zusammenbau in Autokollimation keine sichtbare SA zu erwarten und Strehl voraussichtlich 0.96

Nun hatte ich aber in AK folgende intra- und extrafokale Bilder, welche auf eine Ueberkorrektur hindeuteten

aber als abgesunkene Kante des Primäspiegels interpretiert werden mussten. Diesen Fehler hatte die Interferometrie nicht aufgedeckt. War am echten Stern auch offensichtlich. Nach Abdecken von 1.5 mm Rand sah es dann in AK so aus:

am Himmel nicht mehr zu erkennen.

Warum die abgesunkene Kante? Wir rätseln immer wieder darüber. Für mich ist wichtig zu wissen, dass sie den üblichen Bench Tests entgehen kann.

Nebenbei: Über die Spuren, die der kreuzweise Strich bei diesem Toroid und damit am Gesamtsystem hinterlassen hat, habe ich früher berichtet. Sie dürften zu einer leichten Kontrastverminderung führen. Dies habe ich allerdings bisher nicht eindeutig beobachtet.

Der finale Test in AK wurde mit WinRoddier durchgeführt. Ich mache nur Interferometrie mit einem PDI Plättchen, das geht beim Einzelspiegel sehr gut, beim Yolo f/12 auch, aber bei f/8 wird es schwierig. Das Resultat entspricht der Erwartung:

Was aber auffällt ist eine Dreiblatt Aberration, die man schon am Okular im Fokus beobachtete: Dies sah zuerst so aus:

Wir sehen, da hat es noch Koma „nach unten“. Und wir wissen inzwischen: Es muss also der Okularauszug nach oben versetzt und dann nachkollimiert werden. Das Trefoil blieb.

Ich baute den Primärspiegel aus bei vermuteter Spannung in der Spiegelzelle. Das half nicht.
Dank Guntram fand sich die Lösung: das Dreiblatt ist für die Schiefspiegler typisch und wird beim Yolo bei einer Öffnung von f/8 sichtbar. Er machte mich auf PointSpread aufmerksam, dem Autor Hans-Jürgen Busack sei gedankt! So sieht es dann aus:

Ich kann also mit meinem Resultat zufrieden sein.

Wie entsteht das Dreiblatt? Das Yolo System hat einen intrinsischen linearen Koma Fehler. Dieser wird bei f/8 relevant. Gibt es das Dreiblatt, wenn man diesen Fehler mit einer entgegengesetzten Koma zu korrigieren versucht, also die Kippwinkel des Sekundärspiegels entsprechend anpasst?

Gruss, Beat