Longitudinal bzw. Linear ADC

Hallo allerseits,
da ADCs (Atmospärische-Dispersons-Korrektoren) für höchstauflösende Astronomie doch unumgänglich scheinen und die käuflich erwerblichen Varianten nur für 1 1/4 Zoll bezahlbar bzw. erhältlich sind, möchte ich hinterfragen, ob eine 2" Variante nicht doch einigermaßen günstig herzustellen wäre. Diesbezüglich ist auch das derzeit verwendete radiale ADC Konzept zu hinterfragen. Hierbei wird ja die Korrekturstärke über die Verdrehung zweier Prismen gegeneinander eingestellt. Diese Prismen können auch als zementierte Achromaten bzw. sogar als Apochromaten hergestellt werden, wobei die optische Qualität und auch die Korrekturperformance steigt.
Siehe auch:
http://www.astrotreff.de/topic.asp?TOPIC_ID=236855 (Selbstschliff ADC Keilplatten S-FPL53)
Diverse Großteleskope verwenden aber ein lineares bzw. longitudinales Konzept, welche die Korrekturstärke über den Abstand der Prismen einstellt.
Siehe bspw. hier:
https://www.researchgate.net/p…xtremely_large_telescopes
Es gibt auch eine Selbstbauanleitung für Amateure, bzw. gab (die Links sind leider abgeschatet).
Bilder sind aber über Google noch zu finden:
https://www.google.com/search?…lAKHcVJDfQQ4dUDCAY&uact=5

Anscheinend funktioniert das auch recht gut, man könnte sogar die Horizonthöhe über den Abstand (als Skala) kodieren und die Einstellung vereinfachen.
Werden also nur noch käufliche 2" Wedge-Prismen mit Antireflexbeschichtung benötigt. Was sagen denn die Optikexperten im Forum dazu?
Vg Tino

Edit: Formtierung geändert

Hallo Michael,
vielleicht habe ich mich ein bisschen ungeschickt ausgedrückt, in diesem Artikel ist es unter Abschnitt 2. nochmal gut dargestellt. https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1010/1010.1299.pdf
Wie Oliver es angemerkt hat, möchte man mit den verkitteten Prismen unterschiedlicher Glassorten die geometrische Ablenkung der Strahlen verhindern. Außerdem wäre bei normalen Einzelprismen die Bildebene in Abhängigkeit von der Korrekturstärke gekippt. Zusätzlich kann man durch das achromatische/apochromatische Design die durch den Glasweg eingeführten chromatischen Abberrationen korrigieren. Es soll ja garnicht so kompliziert werden, ...
Vg Tino

Genaugenommen hast du ja recht, die Prismen sollen schlussendlich nicht achromatisch sein. Auch bei den komplizierteren Designs soll eine chromatische Dispersion übrigbleiben, welche die Atmosphärische korrigiert.

Hallo Andreas,
aus dem oben schon verlinkten Artikel https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1010/1010.1299.pdf geht es noch ein bisschen besser hervor, welche Optionen und Designfreiheitsgrade bei den ADCs bestehen. Es sind dann natürlich keine Keilprismen mehr, aber optisch sollen sie wie Keilprismen funktionieren, möglichst ohne die gekippten Flächen. Und fürs ELT versucht man möglichst viele Korrekturen in die eh notwendigen Komponenten einzubringen, sodass sich die adaptive Optik wirklich auch lohnt.
Gruß Tino

Hallo allerseits,
ich habe noch ein bisschen bezüglich ADCs recherchiert und ein interessantes Konzept entdeckt, welches möglicherweise eine gute und einfache Lösung auch für Amateure sein könnte. Informationen dazu sind unter "fluid atmospheric dispersion corrector" zu finden.

Eine Zusammenfassung ist hier zu finden:
https://www.researchgate.net/p…eric_dispersion_corrector

Eine "on-sky" Demonstration ist hier beschrieben:
https://www.researchgate.net/p…eric_Dispersion_Corrector

Es handelt sich um ein Kozept, welches zwei Flüssigkeiten kombiniert. Diese müssen spezielle physikalische, optische und chemische Eigenschaften haben, welche wären:
- möglichst unterschiedliche Dichte
- gleiche Brechzahl
- möglichst unterschiedliche Dispersion
- sollten nicht chemisch reagieren
- sollten sich nicht mischen
- möglichst keine Absorption im VIS
- möglichst nicht zu dünn- bzw. zu dickflüssig

Durch die unterschiedliche Dichte bildet sich in Abhängigkeit von der Orientierung des Teleskops in der Flüssigkeit eine ADC-ähnliche prismatische Anordnung, welche in den oben angegebenen Artikeln auch schon am realen Teleskop getestet wurde und auch so funktioniert wie es soll. Man bräuchte also nur die beiden Flüssigkeiten in einer passenden Kammer in den Strahlengang bringen und los gehts. Bei den gefunden Flüssigkeitskombinationen ist man aber praktisch auf den Cassegrain-Fokus beschränkt, bzw. ein Teleskop beschränkt, welches den Strahlengang nicht faltet aber das Bild umkehrt (bezogen auf atmosphärische Dispersion: Rot oben, Blau unten).

Es gibt aber leider auch nach langer Suche nur sehr wenige Flüssigkeiten die hier verwendet werden können. Bei den im Artikel beschriebenen, handelt es sich bei der niedrigdispersiven und dichten Flüssigkeit um 1-Thioglyzerol und bei den leichteren und hochdispersiven um Anisol oder Chlorobenzene. Anisol und Chlorobenzene sind übrigens leicht zu beschaffen, günstig (13€/100ml) und unproblematisch. 1-Thioglyzerol gibt es nicht so leicht und es ist auch verhältnismäßig teuer (150€/100ml). Zusätzlich ist es noch leicht giftig. Man bräuchte dann noch ein optische hochqualitative Kammer, in welches die Flüssigkeiten eingeschlossen werden. Insgesamt aber doch ein interessantes Konzept, welches ich mal angehen werde.
Gruß Tino

Hallo,
ich habe bezüglich der optischen Randbedingungen nochmal versucht die unterschiedlichen ADC-Typen zu simulieren, hauptsächlich um eine Idee zu bekommen, welche Stellschrauben bei einer DIY-Version eigentlich bestehen. Bezüglich technischer Ausführung gibt es, wie schon oben im Thread angeklungen zwei Varianten.

Die Erste ist der Radiale ADC, bei welcher zwei Prismen gegenläufig verdreht werden. Wenn sich die beiden Prismen gespiegelt gegenüberstehen, ergibt sich ein Prisma mit dem doppelten Winkel, welches die maximale dispersive Korrektur bewirkt. Dreht man ein Prisma um 180° weiter, bewirkt diese Stellung fast keine Korrektur. So funktionieren bspw. die käuflich angebotenen ADCs von Zwo, TS usw.
Die Zweite ist der Lineare ADC, bei welcher zwei gegenläufig gegenüberstehende Prismen in ihrem Abstand verstellt werden. Wenn der Abstand 0 ist, wirkt der ADC wie eine planparallele Platte, mit fast keiner dispersiven Korrektur. Wenn man den Abstand vergrößert, steigt die dispersive Wirkung und somit die Korrektur.

Prinzipiell ist festzustellen, dass die optische Qualität dieser beiden Typen mit normalen Prismen sich nicht großartig unterscheidet, wobei aber der Radiale ADC durch seine kompakte Bauweise vorteilhaft scheint.
Die eigentlichen Stellschrauben sind dann die Formgebung der Prismen und die verwendeten Glasssorten.
Vieleicht ganz kurz zusammengefasst, geometrische Abberrationen treten auf, wenn schräge Flächen im Strahlengang stehen, je schräger desto problematischer.
Deshalb gibt es für die Prismen zwei Kriterien zu erfüllen:
- der Prismenwinkel sollte so klein wie möglich sein, also muss für die gleiche optische Wirkung die Brechzahl des Glases so groß wie möglich sein
- das Glas sollte eine möglichst hohe Dispersion aufweisen, die Abbe-Zahl des Glases sollte also so klein wie möglich sein

Diese beiden Punkte sind bei den derzeit käuflich erwerblichen ADCs mit BK7 oder Quarzglas als Prismenmaterial eigentlich ziemlich schlecht erfüllt. Niedrige Brechzahl und relativ hohe Abbezahl erfordern große Prismenwinkel, welche die optische Qualität bei großen Korrekturen sehr stark verschlechtern. Hauptsächlich tritt dann Astigmatismus auf. Besser sind hier bspw. SF-Gläser wie SF57 von Schott oder als Maximum SF59. Dieses hat eine Brechzahl von fast 2 und eine sehr niedrige Abbe-Zahl. Leider ist die Transmission des SF59 im Blauen nicht so gut, sodass hier das SF57 oder bspw. das transmissionsoptimierte SF57HHT hier besser wäre. Wie es um die Beschaffbarkeit und Bearbeitbarkeit der Gläser steht, weiss ich leider nicht.
Vielleicht auch nochmal ein paar Zahlen:
Randbedingungen für dei Simulation waren:
- Simulation einer ideale Abbildung des Teleskops mit paraxialer Linse - Brennweite=6000mm Apertur=300mm also F/20
- Wellenlängen Polychromatisch 0,45µm; 0,55µm; 0,65µm
- Prismenwinkel optimiert für Korrektur eines maximalen Zenithwinkels von 80° (Planeten)

Prismenmaterial/erforderlicher Prismenwinkel:
Fused Silica 7,1°
BK7 - 6,3°
F2 - 3,3°
SF57HHT - 1,7°
SF59 - 1,3°

Die Simulationen ergeben, dass man ohne Korrektor bei Luminanzaufnahmen >35° schon nicht mehr beugungsbegrenzt ist. Mit BK7 und FusedSlica bei Azimutwinkeln ab 45°. Die höherbrechenden und höherdispersiven F2, SF57HHT und SF59 sind dagegen bis 80° in etwa beugungsbegrenzt. Falls es gewünscht ist, kann ich die Simulationsreports und Spotdiagramme noch nach und nach hier einstellen.

Eine andere Möglichkeit die geometrischen Aberrationen aufgrund der schrägen Flächen zu vermeiden, ist die Variante jeweils zwei Prismen mit gleichen Winkeln, aber unterschiedlichen Glassorten (gleiche Brechzahl, aber möglichst stark unterschiedliche Abbezahl) zu verkitten, sodass eine planparallele Platte ensteht, welche aber trotzdem eine Dispersion bewirkt. Es handelt sich dann sozusagen um ein "Geradsichtprisma". Hiermit lässt sich auch leicht eine Korrektur für Azimutwinkel bis 80° erreichen, bei beugungsbergrenzter optischer Qualität. Vorteilhaft ist hier aber noch zu erwähnen, dass die optische Achse bei Änderung der Prismenstellung im Gegensatz zu den gewöhnlichen Prismen nicht auswandert und auch die Feldkorrektur ist besser, da die Focal-Ebene plan bleibt und auch nicht kippt. Dies ist bei Verwendung normaler Prismen leider festzustellen. Dieses Prinzip wird übrigens in den hochwertigen ADCs von Gutekunst angewendet.

Gruß Tino

Zur Veranschaulichung ein paar Simulationsergebnisse:

Bild 1. Simulation der atmosphärischen Diffraktion für ein Azimut von 80° ohne Korrektor, die Farben Rot und Blau liegen bei 6m Brennweite etwa 100µm auseinander

Bild 2. Korrektor mit BK7-Prismen und 6,3° Prismenwinkel, Korrektur für Azimut 80°

Bild 3. Korrektor mit SF57HHT-Prismen und 1,7° Prismenwinkel, Korrektur für Azimut 80°

Bild 4. Korrektor mit verkitteten SF4/LAK33 Prismen und jeweils 4,3° Prismenwinkel, Korrektur für Azimut 80°

Vg Tino

Hallo Andreas,
danke für den Hinweis, die Zenitdistanz ist natürlich gemeint. Ich hatte auch bezüglich Transmission schon etwas recherchiert und hier ist das transmissionsoptimierte Schwerflint-Glas SF57HHT eine ziemlich gute Wahl, 90% Transmission (25mm) bis 414nm, noch 82% bei 400nm, 50% bei 386nm. Tiefer ins UV gehts nicht.
Bezüglich ROHS, ..., bedeutet das, dass es nur noch die N-Variante käuflich zu erwerben gibt? Wäre schade, das ROHS-konforme N-FS57HT wäre schon sehr viel schlechter, 90% bis 474nm, bei 400nm gerade noch 56%.
Das N-SF4 Glas für die verkittete oder immergierte Variante ist auch nicht mehr so dolle, 90% bis 460nm, bei 400nm noch 55% (das alte SF4 hat bis 402nm noch 90%). Das LAK33 Partnerglas hätte bis 398nm 90%. Was das Immersionsöl, bzw der Optikkitt bewirkt, müsste man noch in Erfahrung bringen.
Für die Venus müsste man wohl doch auf die niedrigbrechenden Gläser mit hoher Transmission im UV setzen.
Vg Tino

Hallo Andreas,
eine UV-optimierte Version mit ROHS-Gläsern würde mit der Glaskombination F14 (n=1,60, v=36,2) (oder F14HT) (90% bis 360nm) und N-PSK57 (n=1,59, v=68,4) (90% bis 354nm) wohl ziemlich gut funktionieren (Brechzahl etwa 1,60). Das N-PSK57 ist aber wahrscheinlich entsprechend teuer.
Das von dir verwendete S-FPL53 (Abbezahl=94,9) in Kombination mit dem Quarzglas (Abbezahl=57,7) ist halt für diesen Brechzahlbereich (~1,46) die beste Kombination, aber die internen Prismenwinkel müssten für eine hohe Korrektur (80°) schon ziemlich groß sein (~22°), da die mittlere Dispersion ziemlich gering ist. Dies setzt dann bspw. eine entsprechende Dicke der Prismen voraus. Die Transmission sollte im UV aber trotzdem noch recht gut sein.
Interessanterweise skaliert die erforderliche Korrekturstärke linear mit der Brennweite. Dh. je länger die Brennweite ist, umso weiter auseinander liegen die Spots für die jeweiligen Farben durch die atmosphärische Dispersion (es steigt ja die Vergrößerung linear mit der Brennweite), welche dann korrigiert werden müsste. Dh. wenn ich beispielweise ein Teleskop mit einer kürzen Brennweite habe (und eine Kamera mit kleineren Pixeln) müsste der ADC für einen speziellen Zenitwinkel entsprechend weniger korrigieren, dh. der Prismenwinkel könnte verringert werden, andere Glassorten usw.
Vg Tino

Hallo Andreas,

danke nochmal für die Infos bezüglich ROHS. Schauen wir mal was noch kommt. Andererseits ist es gut, dass die Gesundheitsrisiken minimiert werden, für die Anwender aber hauptsächlich auch für die Glasverarbeiter und Hersteller.

Bezüglich Glaskombination: Ich hatte das F14 u N-PSK57 aus einem älteren Katalog, in den neuen Katalogen sind sie nicht mehr gelistet. Im aktuellen Katalog (2018) wäre die Kombination F2/N-PSK53 auch sehr gut (90% Transmission bis 360nm, bzw. 380nm), wobei die Brechzahl der beiden bei etwa 1,62 liegt. Es kommt aber hauptsächlich auf den Durchschnittswert der beiden Abbezahlen an. Die niedrigbrechenden Gläser sind aber in der Praxis für gewöhnlich niedrigdispersiv, also haben hohe Abbezahlen, deshalb sind die hochbrechenden Gläser besser geeeignet.

Praktisch möchte ich den ADC für mein Meade ACF 12" F/10 verwenden. Dieses hat 3m Brennweite, ich verwende aber noch eine 2x Barlow von Televue und daher die Forderung mit 6m Brennweite. Zu hinterfragen ist hierbei noch, ob der ADC vllt. doch eher vor die Barlow gehört. Dann müsste man nur die 3m Brennweite korrigieren. Mittels Kurzbelichtung sehe ich bereits bei einem Zenitwinkel von etwa 45° im Luminanzkanal einen leicht verlängerten Spot.
Siehe bspw. hier: http://www.astrotreff.de/topic.asp?TOPIC_ID=243693#842434
Wünschenswert wäre bspw. ein größeres Feld, als derzeit mit den käuflichen 1 1/4 Zoll ADCs möglich ist. Ich habe auch versucht das Teleskop mit der Barlow in die Simulation einzubeziehen, dann kommen natürlich die optischen Fehler des Teleskops dazu (ist halt kein APO). Trotzdem wäre ein ADC schon eine gute Option, auch niedrigstehende Objekte aufzunehmen. Mit RGB Filtern entspannen sich die Probleme durch die atmosphärische Dispersion zunehmend, sodass hier bei Deep-Sky nur noch ein Placebo-Effekt zu erwarten ist, die niedrigstehenden Planeten profitieren aber ganz sicher davon.

Vg Tino

Hallo nochmal,

da ich auf Arbeit freundlicherweise die Möglichkeit habe, ZEMAX zu verwenden, habe noch ein bisschen mit dem Optikdesign der ADCs experimentiert und eine interessante Konfiguration herausgefunden. Diese ermöglicht eine optimale Bildqualität.

Es handelt sich wiederum um 2 verkittete Prismen, welche aber nicht aus jeweils 2 gleichen Glassorten besteht, sondern das zweite zusammengesetzte Prisma verwendet eine dritte Glassorte. Wenn die Prismen aus jeweils gleichen Glaskombinationen bestehen, bewirkt das nicht korrigierte sekundäre Spektrum (so zumindest meine Erklärung) eine geringfügig schlechtere optische Leistung, wenn der ADC in 0-Stellung ist. Dann sind die Farben 90° zur Korrekturrichtung leicht separiert. Der Strehl sinkt auf <0,9. Wenn man dagegen in einem der Prismen eines der Gläser gegen ein ausgesuchtes anderes Glas (hat einiges an Versuchen gebraucht, ein Passendes zu finden) austauscht, kann man die Korrektur zur Perfektion treiben. Die Gläser stehen übrigens alle bei Schott im aktuellen Katalog.

Das erste Prisma im Strahlengang besteht aus der Kombination N-KZFS4 / N-PSK53, wobei die jeweilige Prismendicke 3mm beträgt und der Prismenwinkel 6,3°.
Das zweite zusammengesetzte Prisma besteht aus der Kombination N-PSK53 / LF5, wobei auch hier die jeweilige Dicke 3mm beträgt und der Prismenwinkel 6,3°.
Der Abstand der beiden Prismenpaaren muss etwa 3,8mm betragen, was wichtig für die Korrektur ist.
Die reine Transmission der Gläser ist im UV recht gut und das Gesamtsystem sollte bei 340nm noch insgesamt 50% Transmission aufweisen. Was der Optik-Kitt/Kleber und auch eine "normale" VIS-Entspiegelung im UV schluckt, weiss ich leider nicht.

Bei maximaler Verdrehung reicht die Korrekturstärke aus, um bei 3m Brennweite 80° Zenitdistanz vollständig zu korrigieren.
Die berechneten zugehörigen Strehlwerte sind (Teleskop approximiert durch ideales paraxiales Linsensystem mit 3m Brennweite F/10):
Zenitdistanz 0° - 0,966
Zenitdistanz 45° - 0,961
Zenitdistanz 70° - 0,953
Zenitdistanz 80° - 0,940
Also beinahe perfekt.

Nachfolgend zum Vergleich nochmal die simulierten Strehlwerte für einfache FusedSilica-Prismen (4° Prismenwinkel):
Zenitdistanz 0° - 0,886
Zenitdistanz 45° - 0,687
Zenitdistanz 70° - 0,31
Zenitdistanz 80° - 0,295

Die Simulationsprotokolle liefere ich noch nach.

Vg Tino

Anbei die versprochenen Simulationen.

Bild1. Prinzipskizze - ADC mit verkitteten Prismen, ADC in Stellung 21,1°

Bild2. ADC in Stellung 0°, keine Korrektur, Polychromatischer Strehl 0,966

Bild3. ADC in Stellung 21,1°, Korrektur für Zenitdistanz 45°, Polychromatischer Strehl 0,961

Bild4. ADC in Stellung 180°, Korrektur für Zenitdistanz 80°, Polychromatischer Strehl 0,940

In der Praxis ist mein Meade 12" ACF wohl im besten Falle mit einem Strehl von 0,8 gesegnet, sodass diese Variante etwas überqualifiziert ist. Für einen großen Apo oder einen großen RC aber durchaus von praktischem Wert. Werde es aber trotzdem mal mit einem Eigenbau versuchen, Hobby ist Hobby. Werde weiter berichten.

Vg Tino