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Erwin Herrig, Geibelstraße 135, D-09127 Chemnitz, Germany
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Das 10" Yolo-Teleskop des Autors
Der Yolo Reflektor ist ein wenig bekannter Teleskoptyp. Ähnlich dem Schiefspiegler nach Kutter wird durch eine Schrägstellung der Spiegel ein obstruktionsfreier Strahlengang erzielt. Im Gegensatz zum Kuttersystem läßt sich jedoch ein Yolo Teleskop für kleinere Öffnunsverhältnisse und damit wesentlich kompakter konstruieren. Das Problem liegt in der Herstellung torischer Spiegelflächen zur Korrektur des aus der Schiefe des Systems resultierenden Astigmatismus. Der Autor stellt hierfür eine verblüffend einfache Lösung vor (M.N.).
Toroidspiegel sind in den verschiedenen TCTs (tilted component reflecting telescopes) eine bekannte Lösung, den bei schiefen optischen Systemen auftretenden Astigmatismus zu kompensieren. Wie schon A. Leonard, der Erfinder der Yolo-Reflektoren, bewiesen hat, läßt sich ein einfacher Kugelspiegel durch mechanisches Spannen mit der daraus resultierenden elastischen Verformung in einen hochwertigen torischen Siegel verwandeln [1]. Dabei bestimmt die Größe der Spannkraft das Maß des erreichten Astigmatismus. Durch Speicherung dieser Kraft in einer Feder kann ein so gespannter Spiegel weitestgehend von den Auswirkungen unerwünschter Einflüsse, wie z.B. Wärmeausdehnung, befreit werden.
Mein erster Yolo war mit einer derartigen Spannfassung, die zur Kraftspeicherung eine gering belastete Blattfeder besaß, ausgerüstet [2]. Die am Spiegel angreifenden Druckkräfte verkürzen die Brennweite der einen und die um 90 Grad versetzt angreifenden Zugkräfte verlängern die Brennweite der anderen optischen Achse. Die Spiegeldeformation erwies sich durch die Feder als völlig temperatur- und langzeitstabil und bedurfte bis jetzt noch keiner Korrektur.
Eleganter ist es jedoch, einen torisch geschliffenen Spiegel einzusetzen, dessen einfache Herstellung nachfolgend beschrieben werden soll. Läßt man zwei Spannhakenpaare einer Spiegelfassung in seitlich eingefräste Rillen oder Bohrungen einer vorgeschliffenen Spiegelscheibe eingreifen, dann steht die freie Spiegelfläche zur weiteren Bearbeitung zur Verfügung. Wird die durch Spannen totisch deformierte Kugelfläche mit den feinsten Körnungen erneut in der üblichen Art sphärisch überschliffen, entsteht um 90 Grad gedreht die gleiche torische Fläche im entspannten Spiegel. Die gesamte Bearbeitung beschränkt sich also auf die Herstellung einer einwandfreien Kugelfläche im gespannten Zustand. Schleifanfänger möchte ich dazu auf die einschlägige Literatur verweisen [3] [4] [5]
Der technologischen Realisierung dient nachfolgend beschriebene, leicht herstellbare Schleifspannfassung, die sich bei mir nach verschiedenen Versuchen, unter anderem auch mit einer Vakuumspannvorrichtung, als am geeignetsten erwiesen hat. Es werden zu ihrer Herstellung nur einfache, praktisch jedem Heimwerker zur Verfügung stehende Werkzeuge und Materialien benötigt.
Abb. 1: Fassung mit Spiegelrohling
Abbildung 1 zeigt die komplette Fassung mit der eingespannten Spiegelscheibe. Es handelt sich dabei um einen 6" Spiegelrohling aus Duran (1). Die Spiegelfassung für kleinere Scheiben kann mit entsprechend geringeren Maßen analog aufgebaut werden.
Abb. 2: Einzelteile der Fassung
Abbildung 2 zeigt sämtliche Einzelteile der Spiegelfassung. Den Spannring (2) fertigt man je nach Größe des Spiegels aus gebogenem Bandstahl 3...4 x 20 bis 4...5 x 30 mm. Eingeschweißt werden zwei kurze Rundbolzen von 10...16 mm Durchmesser, die mit Gewindebohrungen für die beiden abgesetzten Stiftschrauben (3) M5...M6 versehen sind. Um genau 90 Grad versetzt schweißt man die beiden 2...3 mm dicken Bleche für die Abstützung der Druckkräfte wie im Bild ersichtlich ein.
Die Bohrung für die Spannschraube muß ausreichend Spiel gewährleisten und wie die kleine Bohrung für die Druckübertragungsstifte sehr genau im 90 Grad Winkel zu den Gewindebohrungen in den Zapfen ausgeführt werden. Die kurzen Kraftübertragungsbolzen (4) von 5...8 mm Durchmesser werden an den Kraftübertragungsblechen (5) und (6) in Schlitzlöchern befestigt. Sie bestehen aus Zylinderkopfschrauben M3...M4 vorzugsweise aus Messing, deren Köpfe mittels Weichlot auf knapp den Durchmesser und reichlich die Tiefe der Bohrungen in der Spiegelscheibe vergrößert wurden. Das ist am einfachsten mit Hilfe einer kleinen Aluminiumform möglich. Das Weichlot garantiert eine gleichmäßige und schonende Krafteinleitung in den Glaskörper. Bei relativ kleinen Bohrungen im Glaskörper ist der Durchmesser des Schraubenkopfes gegebenenfalls etwas zu verringern.
Für die 2...3 mm dicken Kraftübertragungsbleche (5) und (6) kann Aluminium- oder Messingblech und für die Kraftübertragungsplatten (7) rostfreier Stahl oder Hartaluminium verwendet werden. Die Übertragungsstifte (8) von 1,2...2 mm Durchmesser bestehen aus Hartmessing oder Stahl. Die Bohrungen in den Kraftübertragungsplatten (7), die die Kraftübertragungsstifte (8) aufnehmen, sollten mindestens 1 mm größer sein als der Stiftdurchmesser. Das gilt auch für die Bohrungen der beiden Halteschrauben M3 (9). Der Aufbau ist so auszuführen, daß sich die Spannringunterkante 4...6 mm über der Arbeitsfläche befindet. Die Fixierschrauben M4 (10) sollten mit wenigen Zehntel Millimetern Luft zum Kraftübertragungsblech (6) eingestellt werden.
In einer vereinfachten Variante der Schleifspannfassung werden die Druckkräfte über Druckstücke (11) unmittelbar am Spiegelrand auf die Spiegelrückseite eingeleitet. Damit entfallen die vier Bohrungen am Spiegel sowie die Kraftübertragungsbleche (6). Die Kraftübertragungsplatten (7) werden durch die nach Ausführung (12) ersetzt.
Zur Herstellung der Spannfassung wäre noch zu sagen, daß je nach technischen und handwerklichen Gegebenheiten Abwandlungen möglich sind. So können z.B. die Schraubenfedern durch Blattfedern ersetzt werden. Es kann auch zweckmäßig sein, eine der Schraubenfedern durch eine einfache Rohrhülse zu ersetzen. Damit wird die Nachgiebigkeit des Spannrings bei einseitiger Belastung ausgeschaltet. Zahlreiche andere Abwandlungen sind denkbar, lediglich das Grundprinzip muß erhalten bleiben. Die Federn sollten eine Konstante (Federweg bei Belastung) von 2...5 kp/mm besitzen. Beim Einsatz nur einer Feder wäre dieser Wert zu halbieren.
Die vereinfachte Variante der Spannfassung kann ohne erkennbaren Qualitätsverlust bis zu Brennlinienabständen von <150 mm bei Brennweiten >3 m zum Einsatz kommen. Bei den angegebenen Grenzen sollte man nicht überängstlich sein, denn auch bei einer Überschreitung wird noch ein guter torischer Spiegel erzielt. Bei großen Spiegeln ist jedoch die seitliche Einleitung der Druckkräfte über Bohrungen vorzuziehen.
Die Bearbeitung der Scheibe beginnt mit der Kontrolle ihrer Dicke. Übersteigt die Dickendifferenz an verschiedenen Stellen wenige Zehntel Millimeter, dann sollte man das durch entsprechendes Grobschleifen ausgleichen. Als nächstes werden möglichst genau im 30 Grad (60 Grad) Winkel die acht bzw. vier Bohrungen (5...8 mm Durchmesser) angebracht. Die Tiefe der Bohrungen sollte 2...3 mm betragen.
Es ist günstig, wenn die Kräfte in der Höhe der neutralen Biegelinie bzw. Biegefläche angreifen, d.h. die Bohrungen für die Zugkräfte sollten unmittelbar unterhalb und die für die Druckkräfte oberhalb der Spiegelseitenhalbierung gebohrt werden. Dabei können Toleranzen von +/- 10 % zugelassen werden. Wichtiger ist die genaue seitliche Verteilung im 90 Grad Winkel und die möglichst gleiche Höhe eines Bohrungspaares. Durch Schlitzlöcher in den Kraftübertragungsblechen ist jedoch der Ausgleich in einer Richtung möglich. Mittels Diamantbohrer lassen sich die Bohrungen im Glas natürlich am schnellsten ausführen, aber auch mit einem Weichstahl- oder Kupferbolzen (bessere Wärmeabführung) und Karbo 80 bis 150 unter Zugabe von etwas Wasser ist so eine Bohrung in 8 bis 15 Minuten mit Hilfe einer Ständerbohrmaschine leicht herstellbar.
Nach dem sphärischen Grob- und Mittelschliff der noch nicht gespannten Scheibe (Karbokörnung 600 bis 800) kann der Schleifvorgang abgebrochen werden. Der erreichte Radius sollte noch wenige Zentimeter länger sein als der gewünschte Radius.
Die nächste Aufgabe ist es, den Spiegel etwas glänzend zu bekommen. Das kann durch Einreiben mit Graphit- oder Molybdändisulfidpulver geschehen. Am besten ist es jedoch, eine Schnellpolitur von Hand mittels Papierknäuel und etwas Poliermittel vorzunehmen. Nach kurzer Zeit glänzt die Fläche so stark, daß nach Einspannen der Scheibe der gewünschte Brennlinienabstand durch Spannen der Feder(n) eingestellt werden kann.
Dazu benötigt man lediglich einen hellen künstlichen Stern und ein schwaches bis mittleres Okular sowie eine einfache Meßeinrichtung für den Abstand der beiden Brennlinien, gemessen im Spiegelradius. An die Güte der polierten Fläche sowie an die Genauigkeit der Einstellungen werden jedoch keine besonderen Forderungen gestellt. Nach meinen Erfahrungen sollte der Brennlinienabstand etwas reichlich (+5...10%) eingestellt werden. Der am Spannschraubengewinde meßbare Spannweg der Feder verhält sich nahezu proportional zum Brennlilienabstand.
Nun wird wie gewohnt mit der feinsten Schleifkörnung weitergearbeitet. Dabei wird die torische Fläche wieder in eine sphärische zurückverwandelt. Ist der Feinschliff beendet, beginnt anschließend der übliche Poliervorgang. Sobald die erste Messung möglich ist, kann man im entspannten Zustand den tatsächlichen Brennlinienabstand überprüfen und gegebenenfalls duch Verändern der Spannkraft korrigieren.
Die weitere Bearbeitung beschränkt sich auf die Fertigstellung der Kugelfläche in der bekannten Weise unter Kontrolle des Schneidenbildes und bedarfsfalls des Brennlinienabstandes. Die Endpolitur sollte nur mit geringer zusätzlicher Kraft erfolgen, damit die Spannkraft nicht wesentlich beeinflußt wird.
Werden die gewünschten Brennlinienabstände nicht ganz erreicht, ist aber sonst die Flächenform einwandfrei, sollten nur die Kippwinkel beim Yolo dementsprechend verändert werden. Ein seitliches Eintauchen des torischen Gegenspiegels in den Hauptstrahlengang von bis zu reichlich 20% beeinflußt die Bildgüte (Kontrast) nicht im geringsten.Das kann beim fertigen Yolo mit Hilfe einer entsprechenden Pappblende leicht nachgeprüft werden. Zu große Brennlinienabstände haben wegen der dann zu großen Winkel und der damit verbleibenden größeren Fehler sicherlich einen schädlicheren Einfluß auf die Bildgüte.
Die ohne Nacharbeit erreichbare Genauigkeit der Fläche ist besser als Lambda/10 PV und damit auf alle Fälle für die üblich ausgelegten Yolo Reflektoren ausreichend. Die Güte kann leicht mit der Nulltestmethode [6,7] nachgeprüft werden. Einem Genauigkeitsfanatiker sei es natürlich vorbehalten, mittels der in [6] und [7] angegebenen Polierverfahren die Fläche nachzubearbeiten. Nach meinen Erfahrungen beim Schliff diverser torischer Spiegel von 115 bis 155 mm Durchmesser und Brennlinienabständen von bis zu 300 mm war das jedoch in keinem Falle erforderlich.
Da der Zeitaufwand für die Anfertigung der Schleifspannfassung den Zeitaufwand für das langwierige Polieren eines torischen Spiegels nach den bekannten amerikanischen Verfahren kaum übersteigen dürfte, ist selbst beim Schliff nur eines Spiegels wegen der damit verbundenen Arbeitserleichterung das geschilderte Verfahren empfehlenswert.
Mit meiner Veröffentlichung möchte ich zum Selbstbau und zur Verbreitung der vorzüglichen Yolo Refraktoren beitragen. Auch ein Schleifanfänger ist mit der Schleifspannfassung in der Lage, ohne jegliche Nacharbeit eine einwandfreie Yolo-Optik herzustellen.
Abb. 3: 10" Yolo Reflektor ohne Verkleidung
Als Beispiel für den gelungenen Einsatz eines torisch geschliffenen Spiegels zeigt Abbildung 3 meinen 10" Eigenbau Yolo. Er hat nur 3 m Brennweite und konnte durch Eintauchen des 6" Gegenspiegels um 28 mm in den Hauptstrahlengang in seiner Baulänge mit 2 m (ohne die Lichtblende aus Gewebe) relativ kurz gehalten werden.
Abb. 4: 10" Yolo Relektor, komplett verkleidet
Beim Beobachten wird der Gittertubus durch eine zusätzliche Gewebehülle gegen thermische Luftströmungen geschützt (Abb. 4). Klappbare Blenden im Spiegelkasten gestatten bedarsfalls das Abblenden auf 8", 6" oder 4,5" Öffnung.
Abb. 5: Strahlengang
Abb. 6
Abb. 7: