Eine eine einfache Frage: Welchen Durchmesser muss die zentrale Bohrung im Hauptspiegel meines Cassegrain-Teleskops haben?
Ich hole mal wieder kurz etwas weiter aus, damit die “normalen” Hobby-Selbstbauer auch einigermaßen folgen können. Ein Ritchey-Chrétien-Cassegrain Teleskop ist ein Teleskop, bei dem das Licht der Sterne (links) von einem konkaven Spiegel gesammelt und auf einen Punkt fokussiert wird. Kurz bevor dieser “Punkt” erreicht wird, ist aber ein weiterer Spiegel angebracht, der das Licht wieder zurück in Richtung des Hauptspiegels reflektiert. Der eigentliche Brennpunkt, an dem der Beobachter sitzt (rechts), befindet sich hinter dem Hauptspiegel. Dafür muss ein Loch in den Hauptspiegel gebohrt werden. Die Frage ist, wie groß muss dieses Loch sein.
Seit Sonntag Abend steht der Spiegel nun in meinem Büro und ich habe ihn allen möglichen Tests unterzogen. Es sieht so aus, als könnte ich mich nun nicht weiter um das Bohren der zentralen Perforation herumdrücken. Natürlich habe ich bei der Planung schon alles mögliche darüber gelesen, wie man den Durchmesser dieser Perforation berechnet, aber leider widersprechen sich die verschiedenen Autoren zum Teil, oder sie legen sich nicht klar fest. Natürlich soll das Loch so klein sein, wie möglich, damit eine möglichst große Spiegelfläche Licht sammeln kann. Genauso natürlich soll das Loch auch nicht zu klein sein, damit das ganze gesammelte Licht durch das Loch im Spiegel zu meinem Auge (oder meiner Kamera) vordringen kann.
Konkreter ausgedrückt, die Bohrung soll:
- groß genug sein, um nicht zu vignettieren.
- groß genug sein, um das Blendrohr hindurch stecken zu können.
- kleiner sein, als der Schatten des Sekundärspiegels.
- möglichst klein sein, um den Spiegel nicht unnötig zu destabilisieren.
Eigentlich habe ich in der Planungsphase nach diesen Vorgaben schon einen Durchmesser für das zentrale Loch vorgesehen. Sehr hilfreich war dabei ein Artikel über Cassegrain Blenden von Michael Peck und eine dazu gehörende Tabellenkalkulations-Datei. Da ich mich in den letzten Tagen sowieso gerade in einem ganz anderen Zusammenhang mit dem neuen Google-Docs herumschlagen musste, habe ich meine Daten aus Michaels Spreadsheet gleich mal dort hoch geladen.
Sicherheitshalber werde ich aber jetzt doch erst noch mal die Meinung von den Experten in den relevanten Foren und Mailinglisten zu meinem Daten einholen. (Ich kann mich also vielleicht doch noch ein paar Tage um das Bohren herumdrücken 
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Gehört das Karbo K320 jetzt noch zum Grobschliff oder ist das schon der Feinschliff? Ich weiß es nicht. Für mich fängt der Feinschliff immer an, wenn ich vom schwarzen Karbo (Siliziumkarbid) zum weißen Aluminiumoxyd wechsle, also firmiert das K320 hier weiter unter Grobschliff.Gestern habe ich noch einmal eine gute Stunde mit K320 geschliffen. Um die Brennweite nicht weiter zu verkürzen habe ich dabei vorwiegend mit etwas längeren Strichen und oben liegendem Tool (TOT) geschliffen. Ein kurzer Test zeigte danach, dass diese Strichführung erfolgreich war, der Kugelradius hat sich um ca. 10mm erhöht und beträgt jetzt ca. 1500mm. Damit liegt er gut im Bereich meiner gesteckten Ziele.
Der einzige nennenswerte Vorfall ereignete sich schon, bevor ich überhaupt mit dem Schleifen begonnen hatte - ich fand auf der Rückseite des Spiegels einen kleinen Aussprung (Chip). Eigentlich ist das schon beunruhigend genug, was aber noch schlimmer ist, ich habe keine Ahnung, wie der da hingekommen ist. Eigentlich kann ich mir kaum vorstellen, dass er am Vorabend schon da war, aber leider kann ich es nicht ganz genau sagen. Nach etwas Überlegen bin ich zu dem Schluss gekommen, dass der Chip entweder beim Abwaschen des Spiegels unter dem Wasserhahn (eher unwahrscheinlich) oder beim Transport aus dem Haus in die Werkstatt entstanden sein muss. Auf alle Fälle muss ich in Zukunft vorsichtiger mit dem Spiegel umgehen!
Obwohl es sich wirklich nur um einen relativ kleinen Chip handelt habe ich die Kanten sicherheitshalber etwas mit dem Wetzstein bearbeitet um zu verhindern, dass es an dieser Stelle zu weiteren Aussprüngen kommt.
Bei dem Glas des Spiegels handelt es sich übrigens nicht, wie man vermuten könnte, um grünes Flaschenglas, sondern um Borosilikatglas mit neutraler Farbe. Die grüne Farbe auf diesen Bildern stammt von einem grünen Handtuch, dass hier unter dem Spiegel liegt.
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Heute war ich brutto gut 6 Stunden in der Werkstatt, von denen ich allerdings nur etwa 3 Stunden effektiv geschliffen habe, weil dauernd Leute zu Besuch kamen. Mal abgesehen von dem kritischen Kommentaren (”Die Kanäle sind ja total schief”, “Wenn du da ‘ne Bohrmaschine dran hängst, geht das doch viel schneller”, …) ist sowas aber ja auch immer sehr nett.
Zunächst habe ich noch ca. eine Stunde mit Karbo K180 abwechselnd MOT/TOT vorwiegend 1/3 Striche COC geschliffen. Danach hatte ich das Gefühl, dass ich mit K180 nichts mehr verbessern kann und habe wieder den gesamten Arbeitsplatz und alle Werkzeuge gründlich gereinigt, alle Putzlappen ausgetauscht, Pullover und Hose gewechselt usw. um dann noch etwa zwei Stunden mit Karbo K320 und der selben Strichführung weiter zu machen.
Ein zwischenzeitlicher Bleistifttest zeigte eine schön gleichmäßige Sphäre. Der Taschenlampentest ergab heute Abend einen Kugelradius von 1490mm. Morgen werde ich also etwas mehr TOT mit etwas längeren Stichen schleifen um mir den Zentimeter im Kugelradius wieder zurück zu holen. Der Spiegel ist jetzt schon sehr schön glatt, zeigt aber noch vereinzelte kleine Pits. Ich traue mich inzwischen schon nicht mehr den Bohrer aufzulegen, um die Pfeiltiefe direkt zu messen, allerdings ist der Taschenlampentest inzwischen sicher reproduzierbar und dürfte daher das richtige Ergebnis zeigen.
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Mit einem gewissen Stolz kann ich vermelden, dass mich der Blog Duese5 gestern zur Blog-Empfehlung des Tages gekürt hat. Unter Anderem schreibt Farlion in seiner Review:
Was ich aber bislang in der Hobby-Werkstatt lesen konnte lässt mich erahnen, dass ich Grobmotoriker persönlich besser die Finger davon lassen sollte.
Da muss ich natürlich klar widersprechen. Eigentlich zähle ich mich selbst auch eher zu den Grobmotorikern. Zumindest in der Phase, in der ich jetzt noch bin, ist Spiegelschleifen durchaus eine Angelegenheit, die das eine oder andere Trimmgerät überflüssig macht. Ich würde also sagen, wir sehen uns beim nächsten Teleskoptreffen
Ich bin heute Strohwitwer, deshalb habe ich es mir beim Schleifen in der Werkstatt noch etwas gemütlicher gemacht als sonst:
Dabei ist neben einigen anderen Arbeiten in der Werkstatt effektiv so ca. eine Stunde Spiegelschleifen mit vorwiegend 1/3 Strichen COC abwechselnd MOT und TOT heraus gekommen. Der Spiegel macht weiterhin einen wunderbar sphärischen Eindruck. Ich denke, ich kann bald zur nächsten Körnung wechseln.
Wenn ich hier dauernd schreibe, dass ich 1/3 Striche soundso gemacht habe, dann muss man dazu sagen, dass ich bei meinen Strichen nie genau einem solchen Schema folge. 
Ich versuche mutwillig auch schon in diesem Stadium zwischendurch chaotische Stiche, Schleifen und Kringel einzubauen. Dabei verfolge ich (mehr oder weniger aufmerksam) das Schleifgeräusch und markiere die Stellen seitlich auf dem Spiegel, die sich nicht ganz sphärisch anhören oder anfühlen. Wie ich schon früher angedeutet hatte, lasse ich beim Schleifen das oben liegende Werkstück viel rotieren und drehe auch das unten liegende Werkstück in regelmäßigen Abständen. Ich denke bei dieser Vorgehensweise bleibt dem Spiegel auch ohne feinmotorische Eingriffe nichts anderes übrig als super sphärisch zu werden
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Eben habe ich den Grobschliff bei meinem Spiegel etwa 45 Minuten lang mit Karbo K180 (abwechselnd MOT/TOT vorwiegend mit 1/3 Strichen COC) fortgesetzt. Im Grunde sieht es so aus, als sei ich mit dem K180 schon durch. Allerdings musste ich die ganze Zeit darüber nachdenken, dass es bei den feineren Körnungen schwierig werden dürfte den gewünschten Kugelradius zu erreichen, wenn meine Messung einen Fehler enthält. Ich werde deshalb jetzt noch einmal den Taschenlampentest wiederholen - Vorsicht ist die Mutter der Porzellankiste!
Nachtrag: Wieder messe ich mit dem Taschenlampentest im Krümmungsmittelpunkt einen Kugelradius von ziemlich genau 1500mm. Eine kurze Kontrolle der Oberfläche mit den Fadenzähler zeigt noch etliche übrig gebliebene Pits von der 80er Körnung. Ich werde jetzt also zunächst noch eine gewisse Zeit lang mit Karbo K180 weiser schleifen.
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Ich komme immer etwas ins Schleudern, wenn ich andere Werkstatt-Blogs lese und die Autoren bei mir Fachwissen in ihrem speziellen Hobby voraussetzen, dass ich leider nicht vorweisen kann. Nachdem ich ein paar meiner vorangegangenen Posts in diesem Blog gelesen habe, scheint das bei mir ebenfalls der Fall zu sein 
Also, hier eine kleine Einführung für diejenigen, die diesen Blog lesen, weil sie einfach nur daran interessiert sind, was so in anderen Hobby-Werkstätten so los ist: Ich baue mir gerade ein astronomisches Spiegel-Teleskop. Die Spiegel für solche Teleskope müssen sehr genau gearbeitet werden - sehr, sehr genau - auf einige wenige Nanometer genau. Mit dem Zollstock kommt man da leider nicht weit
Glücklicher Weise haben sich fähigere Optiker als ich es bin einige recht einfache Mess- und Prüfmethoden einfallen lassen, mit denen man heraus finden kann, ob man auf dem richtigen Weg ist. Zu den für Amateure wichtigsten optischen Tests gehören z.B. der Foucault-Test oder der Ronchi-Test. Leider hat der von mir geplante Hauptspiegel eine extrem kurze Brennweite, was dazu führt, dass die “normalen” Tests einfach zu ungenau sind. Deshalb habe ich mich entschieden zum Testen dieses Spiegels den lateralen Drahttest einzusetzen. Fragt mich bitte nicht, wieso die meisten anderen anderen Tests nach den entsprechenden “Erfindern” benannt sind, während der laterale Drahttest nicht Francis-Test heißt…
Gut, der laterale Drahttest ist wirklich nicht besonders weit verbreitet und es umgibt ihn eine Art mystische Aura. Die Suchmaschine Google findet für den Begriff “Lateraler Drahttest” momentan 17 Ergebnisse, für “lateral wire test” findet sie immerhin 187 Ergebnisse - der Informationspool ist also nicht gerade groß. Andererseits ist das Prinzip aber auch nicht so furchtbar kompliziert:
Ein Teleskopspiegel hat im Prinzip die Form eines Kugelabschnitts. Wenn man nun in Zentrum dieser (gedachten) Kugel eine kleine Lichtquelle platziert, dann werden alle Strahlen, die von der Lichtquelle ausgehen vom Spiegel ganz genau auf die Lichtquelle zurückgeworfen.
[Wenn das bis hierher unverständlich ist, schreib bitte einen Kommentar]
Geht man etwas vom Kugelzentrum weg und platziert vor der Lichtquelle einen dünnen Draht, so ist der Schatten des Drahtes mittig auf dem Spiegel zu sehen. Verschiebt man Lichtquelle und Draht etwas seitlich (lateral), dann verschiebt sich auch die Position des Schattens auf dem Spiegel.
[Wenn das bis hierher unverständlich ist, schreib bitte einen Kommentar]
Wenn der Spiegel nun nicht ganz genau der Form eines Kugelabschnitts entspricht, dann wandert der Schatten etwas weiter (oder nicht ganz so weit) wie er sollte. Das ist (vereinfacht beschrieben) das Konzept des lateralen Drahttests.
[Bis hierher alles verstanden? Dann weißt du jetzt, wie der sagenumwobene laterale Drahttest funktioniert]
Leider war es das aber immer noch nicht ganz. Der Spiegel, den ich geplant habe, soll eine bestimmte Abweichung von der sphärischen Form eines Kugelabschnitts haben. Genauer gesagt er soll die Form eines Hyperboloiden, (in der Mitte etwas tiefer, am Rand etwas flacher) erhalten. Mit dem lateralen Drahttest muss ich nun beim Polieren des Spiegels ständig prüfen, ob ich diese Form endlich errecht habe.
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Hat das Messgerät, mit dem man den lateralen Drahttest durchführt eigentlich einen Namen? Falls ja, kenne ich ihn nicht, Deshalb nenne ich ihn jetzt einfach mal Francis-Tester
Schon klar, ich bin in Gedanken dem Fortschritt meines Spiegels um Wochen voraus, aber ich möchte nicht noch einmal erleben, dass ich die ersten Chargen Poliermittel schon verbraucht habe aber der vernünftige Foucault-Tester zum Begutachten meiner Arbeit noch fehlt. Deshalb habe ich mich heute noch einmal in die Funktionsweise des lateralen Drahttests eingelesen um rechtzeitig das passende Testgerät bauen zu können.
Alles in Allem muss man sagen, dass es genügend theoretische Hintergrundinformationen (z.B. hier oder hier) aber nur sehr wenige ausführliche Berichte über den praktischen Einsatz dieses Tests gibt. Einige euphorische Berichterstatter beflügeln zunächst, aber der gesunde Menschenverstand rät doch zur Vorsicht. Bei diesem Test muss der Draht (incl. Lichtquelle) mit einer Genauigkeit von wenigen tausendstel Millimetern positioniert werden, um aussagekräftige Ergebnisse erzielen zu können. Meine Erfahrungen beim Foucault-Test haben mich aber gelehrt, dass sich die Balken in einem Altbau um mehrere hundertstel Millimeter biegen, wenn man sich nur kurz an der Nase kratzt. Es muss also ein Francis-Tester gebaut werden, der solche Fehlerquellen von vorn herein ausschließt.
Zum Einen denke ich dass es nötig ist den eigentlichen Test vollkommen vom Fußboden zu entkoppeln, zum Anderen muss dafür gesorgt werden, dass sich der Testaufbau nicht verändert, wenn der Draht seitlich (lateral) verstellt wird. Nils Olof Carlin schlägt sogar vor, einen kleinen Stepper-Motor zum Verschieben des Drahtes einzusetzen um eine Beeinflussung des Tests durch die Bedienung des Vorschubs zu vermeiden.
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Auch die wiederholte Messung der Pfeiltiefe an meinem neuen Teleskopspiegel ergab einen Wert von 7,3mm. Da der Taschenlampentest einen Kugelradius von 1500mm ergab, müsste die Pfeiltiefe aber bei ca. 7,52mm liegen. Deshalb möchte ich sicherheitshalber einmal systematisch meine Messgeräte und -verfahren überprüfen.
Sphärometer: Ich habe mein Sphärometer bisher nie verwendet um damit direkt die Pfeiltiefe zu bestimmen. Um festzustellen, ob ein Spiegel sphärisch ist genügt es, an verschieden Stellen zu messen. Ein sphärischer Spiegel muss an allen Stellen das selbe Ergebnis zeigen. Um die absolute Pfeiltiefe ermitteln zu können, muss das Sphärometer zunächst an einer vollkommenen Planfläche kalibriert werden. Diese Kalibrierung machte ich an der Rückseite des Spiegels. Anschließend stellte ich an der konkaven Seite des Spiegels eine Pfeiltiefe von 0,74mm fest. Nach der Formel zum Berechnen des Kugelradius in diesem Sphärometer-Artikel…
s = (r2 + (hs - h0)) / (2 * (hs - h0))
…ergibt sich mit meinen gefundenen Werten…
r = 48mm
hs = 0,74mm
h0 = 0mm
ein Kugelradius von ca. 1557mm.
((482) +(0.74 - 0)) / (2 * (0,74 - 0)) = 1557,25676
Das Ergebnis (Brennweite 778,6mm) bestätigt in etwa den vorher berechneten Wert (773mm), allerdings hatte ich mein Sphärometer nie für direkte Messungen vorgesehen und bin deshalb nicht sicher, ob die “Beinchen” wirklich mit hoher Genauigkeit in einem Radius von 48mm angeordnet sind. Deshalb möchte ich lieber auch noch ein paar weitere Fehlermöglichkeiten ausschließen.
Lineal: Zur Messung der Pfeiltiefe wird ein Lineal über den konkaven Spiegel gelegt und anschließend der Abstand vom Lineal zur Oberfläche des Spiegels gemessen. Eine Fehlerquelle könnte also sein, dass das Lineal nicht völlig gerade ist. Messungen mit verschiedenen Linealen (Stahl-Anschlagwinkel, Wasserwaage, verschiedene Zeichen-Lineale usw.) ergab aber vergleichbare Werte für die Pfeiltiefe. Ich kann das Lineal daher wohl als Fehlerquelle ausschließen.
Bohrer: Ich messe die Pfeiltiefe, indem ich einen Bohrer mit geeignetem Durchmesser zwischen Spiegeloberfläche und Lineal schiebe und dann mit der Fühlerlehre den verbleibenden Abstand prüfe. Es könnte also sein, dass der hier verwendete 7mm Bohrer nicht genau 7mm dick ist. Eine Messung mit der Mikrometerschraube ergab einen Durchmesser von 6,96mm, die Schieblehre zeigt 6,95mm. Ich hatte die Messschraube gerade in der letzten Woche an einigen Werkstücken mit bekannten Dimensionen und der Fühlerlehre getestet, deshalb halte ich das Ergebnis für plausibel.
Messverfahren: Das Verfahren des Unterschiebens eines Bohrers könnte einen systematischen Fehler produzieren. Der Bohrer kann aufgrund der konkaven Oberfläche des Spiegels nicht ganz genau waagerecht zwischen Spiegel und Lineal geschoben werden. Da die Messung allerdings direkt am Ende des Bohrerschafts durchgeführt wird, kann dieser Fehler eigentlich keinen signifikanten Einfluss haben.
Fazit: Ich gehe einmal davon aus, dass meine Messmethoden in Ordnung sind, und dass der Fehler eher beim Taschenlampentest liegt. Trotzdem werde ich die Pfeiltiefe erst mal nicht weiter vergrößern und der Brennweite in Zukunft noch etwas mehr Aufmerksamkeit widmen.
Beachtlich, übrigens, was sich so alles auf dem Flur ansammelt, wenn ein ATMler dort einen Nachmittag mit einem Spiegel spielt
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Die Werkstatt ist heute kalt und ein wenig ungastlich, deshalb habe ich mich entschlossen erst einmal ein paar genauere Messungen an meinem neuen Spiegel vorzunehmen.
Sphäre: Die Sphäre fühlte sich ja schon beim Schleifen sehr gut an. Sicherheitshalber prüfte ich Spiegel und Tool trotzdem noch einmal mit dem Sphärometer und konnte feststellen, dass sie im Rahmen der Messgenauigkeit meines Sphärometers von einigen wenige tausendstel Millimeter perfekt ist.
Brennweite: Zur Bestätigung der von mir in der letzten Woche aus der Pfeiltiefe errechneten Brennweite von 773mm machte ich anschließend einen Taschenlampen-Test. Der Spiegel reflektiert im aktuellen Zustand mit seiner seidig matten Oberfläche nicht ausreichend gut, um den Taschenlampen-Test durchzuführen, deshalb wurde er für den Test vorsichtig mit einer dünnen Schicht Speiseöl überzogen.
Leider funktionierte der klassische Taschenlampentest mit einem parallelen Strahlenbündel aus einer Taschenlampe mit Reflektor bei diesem sehr schnellen Spiegel nicht zufriedenstellend. Ein weiterer Test mit einer Punktlichtquelle im Krümmungsmittelpunkt funktionierte hingegen sehr gut. Leider war das Ergebnis dann etwas Besorgnis erregend. Der Krümmungsmittelpunkt liegt bei ca. 1500mm was eine Brennweite des Spiegels von 750mm nahe legt. Da eine so große Differenz zum berechneten Wert (773mm) eigentlich nicht erklärbar ist möchte ich nun zunächst einmal die Pfeiltiefe mit hoher Genauigkeit bestimmen. (Das hat auch den entscheidenden Vorteil, dass ich jetzt nicht in die kalte Werkstatt muss
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Zur Vorbereitung auf das kommende Schleifwochenende und um herauszufinden, wie groß ich eigentlich die zentrale Bohrung im Hauptspiegel geplant hatte, habe ich mir gestern Abend noch mal meine Dokumentation angesehen. Da hier vor einiger Zeit die Frage nach der genauen optischen Konfiguration aufkam habe ich gleich mal einen Teil davon online gestellt.
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