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Mythen und Legenden zum Spiegelschleifen und Teleskopen
Von Stathis Kafalis Copyright © 2005-2019

| Glas fließt | Kratzer mindern den Kontrast | Zerodur ist besser | Gitterrohr Tubus hat Streulicht |

"Glas fließt, mein Spiegel verformt sich mit der Zeit und muss nachpoliert werden" 

Nach wie vor hält sich auch in er Astroamateurszene der Mythos, dass Glas eine “erstarrte Flüssigkeit“ sei [1], [2], die unter Einwirkung des Eigengewichts sich mit der Zeit verforme. Begründet wird diese Behauptung mit den alten Kirchenfenstern, die unten dicker sind als oben.

Richtig ist jedoch, dass Glas definitiv ein Festkörper ist, bei dem sich die Moleküle nicht gegeneinander verschieben, jedenfalls nicht bei Temperaturen, bei denen wir es benutzen [3]. Im Gegensatz zu den meisten anderen Festkörpern (z.B. Metalle) sind bei Glas jedoch die Moleküle nicht in einer regelmäßigen Kristallstruktur angeordnet – man spricht von einem amorphen Körper. Das ist u.a. der Grund, warum Glas so gut als Werkstoff für Präzisionsoptik geeignet ist, denn durch diese Eigenschaft lässt es sich bis zur Molekülgröße glatt und gleichmäßig polieren.

Würde Glas wirklich fließen, wären die enorm schweren Linsenobjektive der Großrefraktoren der Jahrhundertwände längst unbrauchbar geworden sein. Warum sind nun aber die alten Kirchenfenster unten dicker? In [4] wird vermutet, dass man damals die Scheiben nicht mit gleichmäßiger Dicke herstellen konnte und man sie einfach aus Stabilitätsgründen mit der dicken Seite nach unten aufstellte.

Soweit so gut, aber ganz so eindeutig ist die Geschichte dann doch wieder nicht. Gemäß einigen Aussagen erfahrener Astroamateure und Optikprofis würden sich starke Spannungen im Glas auch bei Zimmertemperatur mit der Zeit ganz langsam abbauen und könnten bewirken, dass sich der Spiegelträger dauerhaft unregelmäßig verformt. Ich habe dazu keine eigenen Erfahrungen machen können. Mit Bestimmtheit kann ich nur sagen, dass stark verspanntes Glas ohnehin für Präzisionsoptik unerwünscht ist, da es sich ungleichmäßig poliert und sich bei Temperaturänderung “verwirft“, ähnlich wie ein heißes Backblech, auf das man lokal kaltes Wasser gießt. Zur Abschätzung der Spannungen wird im Amateurbereich der Polfiltertest verwendet, auch wenn sich damit keine belastbaren Aussagen treffen lassen [5].

Wer also einen Spiegel aus weitestgehend spannungsfreiem Material hat (geringe Restspannungen sind nur bei Linsenoptik unter Sonderanwendungen von Belang, für Astrooptik jedoch nicht weiter tragisch), kann sicher sein, dass dessen Form für mindestens einige Jahrtausende erhalten bleibt, egal wie er dabei gelagert wird.

[1] Teleskop - Lagerung Astroteff Diskussion
[2] Besonderheiten von Glas Astroteff Diskussion
[3] Is glass liquid or solid? by Philip Gibbs
[4] Das Rätsel der fließenden Kirchenfenster
[5] Spannungen in Rohlingen Astroteff Diskussion

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"Staub auf der Optik oder ein Kratzer vermindert den Kontrast" 

Immer wieder liest man von übereifrigen Putzaktionen auf der Primäroptik, nur weil sich bereits nach einigen Tagen nach dem Neuerwerb des teuren Stücks ein paar Staubfussel angesammelt haben. Ich habe sogar von Reklamationsforderungen gehört, nachdem ein feiner Kratzer auf dem Hauptspiegel entdeckt wurde. Da so ein Kratzer gerade auf einer spiegelnden Fläche so gemein ins Auge sticht, ist man schnell der Meinung, dass er Streulicht erzeugt, und damit die Abbildung negativ beeinflussen muss.

Das ist zunächst einmal prinzipiell richtig. Der Lichtanteil, der auf einen Kratzer oder Staubfusel fällt, wird diffus gestreut und erzeugt damit zumindest theoretisch im Okular eine diffuse Aufhellung des Bildes. Eine beugungsphysikalische Abschätzung über die sog. Kontrastübertragungsfunktion (MTF-Kurve), zeigt jedoch, dass der Kontrastverlust etwa prozentual zur betroffen Fläche ist [1]. Nehmen wir als Beispiel einen 10 cm langen Kratzer von 1/100 mm Breite auf einen Spiegel von 200 mm Durchmesser. 1/00 mm klingt wenig, aber so ein Kratzer wird einem bereits vom weiten ins Auge springen, bereits Kratzer mit 1 my = 1/1.000 mm Ausdehnung werden im Gegenlicht deutlich sichtbar. Der Flächeninhalt eines derartig langen und fetten Kratzers ist 1 mm^2, verglichen mit der Spiegeloberfläche von 31.400 mm^2 ist dies weniger als 0,01 Promille der Fläche - ein wahrhaft homöopathischer Einfluss! Genau wie bei einzelnen Kratzern ist der Einfluss von Staub auf der Optik rein kosmetischer Natur. Auch die Arme der Fangspiegelspinne können wie überdimensionale Kratzer betrachtet werden und auch deren Einfluss bleibt bei Verwendung von dünnem Material unter 1%.

Ein Hauptspiegel oder Linsenobjektiv muss schon ziemlich stark verdreckt aussehen oder von vielen Dutzend, wenn nicht hundert Kratzern übersät sein, bevor sich das Streulicht in der Praxis bemerkbar macht. Ausnahmen gelten für Sonderbeobachtungen, wo ein sehr schwaches Objekt direkt neben einem blendend hellem beobachtet werden soll, wie z.B. die Marsmonde oder der Siriusbegleiter. Auch die Sonnenbeobachtung profitiert von sauberer Optik..

Kratzer und Staub auf den Okularlinsen machen sich hingegen weitaus stärker bemerkbar, da der projizierte Flächenanteil viel höher ist. Eine vom Augenfett verschmierte Okularlinse oder Taubeschlag auf dem Glas macht sofort flaue Bilder.

Das eher gutmütige Verhalten der Primäroptik gegenüber Staub und Kratzern darf nicht darüber hinwegtäuschen, dass diese trotzdem eine hohe Oberflächengenauigkeit aufweisen muss. Bereits Abweichungen von wenigen zehntausendstel Millimetern von der Idealform führen zu merklichem Kontrastverlust bei hohen Vergrößerungen. Bei Abbildungsfehlern wie sphärischer Aberration, Zonenfehlern oder abgesunkenem Randbereich ist nämlich erstens ein größerer Flächenanteil betroffen und zweitens wird hier das “falsche Licht“ nicht diffus gestreut, sondern landet gerichtet knapp außerhalb des Beugungsscheibchens, also genau dort, wo es am meisten weh tut, wenn es um zarte Planetendetails oder Deep Sky bei höchsten Vergrößerungen geht.

Treffend hat Joseph von Fraunhofer diese Sachverhalte formuliert als er auf Kratzer auf seinen Optiken angesprochen wurde: “Meine Linsen sind nicht zum Anschauen, sondern zum Durchschauen“.

[1]: Harold R. Suiter: Star Testing Astronomical Telescopes, Kapitel 9.4

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"Ein Zerodurspiegel ist besser als einer aus Pyrex" 

Hartnäckig hält sich das Gerücht, dass ein Zerodurspiegel erstens schärfer ist und zweites sofort ohne Auskühlphase scharfe Bilder liefert und dass Pyrex seinerseits schneller auskühlt als Plate Glas und somit schneller einsatzbereit ist. Was stimmt nun und worauf kommt es wirklich an?

Zerodur [1] ist der Handelsname für eine Glaskeramik der Fa. Schott, die praktisch keine Ausdehnung mit der Temperatur erfährt. Sehr ähnliche Eigenschaften hat auch das aus Russland stammende Astrosital, kurz Sital genannt. Da diese Glaskeramiken als Standardmaterial für Spiegelträger im wissenschaftlichen Anwendungen verwendet werden, gilt Zerodur und Sital als Synonym für höchste Qualität und Präzision. Das im Amateurbereich weit verbreitete Borosilikatglas (Handelsnamen Duran, Borofloat oder Supremax von Fa. Schott, bzw. Pyrex von Fa. Cornig) hat gegenüber normalem Plattenglas oder BK7 immer noch einen um fast Faktor 3 geringeren Temperaturausdehnungskoeffizienten [2].

Während der nächtlichen Abkühlphase kühlt der Spiegel an seiner Oberfläche schneller aus als im inneren. Je höher der Temperaturausdehnungskoeffizient ist, um so stärker wird er außen schrumpfen und um so mehr wird er sich gegenüber seinem Urzustand verziehen, ähnlich wie ein heißes Kuchenblech sich verzieht, wenn man punktuell kaltes Wasser drüber laufen lässt. Zerodur wird sich überhaupt nicht verziehen, Pyrex ein klein wenig und Plattenglas weitaus mehr. Der Effekt tritt um so stärker hervor, je dicker der Spiegel und je ausgeprägter das Temperaturgefälle ist. Ist der Spiegel jedoch vollständig ausgekühlt, nimmt er wieder seine ursprüngliche Form an, egal aus welchem Material er besteht. Ein bei 23°C perfekt parabolischer Spiegel ist nach kompletter Auskühlung auch bei –10°C Kälte perfekt parabolisch, auch wenn er aus einfachem Plattenglas besteht.

Wichtig in diesem Zusammenhang ist der Umstand, dass ein warmer Spiegel die Luft über seiner Oberfläche erwärmt und Luftturbulenzen erzeugt, ähnlich wie Luftflimmern über der Herdplatte oder über heißem Asphalt. Solange der Spiegel warm ist, “kocht“ die Luft über ihm und verdirbt die Bilder egal wie genau seine Form ist, das gilt auch für Zerodur! Dieses sog. “Spiegel Seeing“ trägt nach meiner Erfahrung weit mehr zur Bildverschlechterung bei als der Einfluss der Glasdeformation. Die Auskühlungsgeschwindigkeit selbst hängt von der Wärmekapazität und der Leitfähigkeit des Materials ab und diese Stoffeigenschaften sind für alle Glassorten relativ ähnlich [2]. Wie schnell der Spiegel sich an die Umgebung anpassen kann, wird demnach weitaus mehr von der Spiegeldicke und der Belüftungssituation beeinflusst.

Wie sieht aber mit der Spiegelgenauigkeit aus? Auch hier ist nicht das Material entscheidend, sondern das, was der Optiker daraus macht. Wirklich wichtig ist nur, dass das Spiegelsubstrat homogen und hinreichend spannungsfrei ist und sich glatt polieren lässt. Allerdings ist bei der professionellen Optikherstellung und Optikprüfung Zeit gleich Geld und somit ein Substrat mit möglichst geringem thermischem Eigenleben von Vorteil. Die Chance, einen wirklich genauen Spiegel zu bekommen ist hier um so höher, je höher die thermische Stabilität ist. Das gilt erst recht für Großoptiken von über einem Meter Durchmesser und oft mehr als 15 cm Dicke, deren Herstellungskosten so hoch sind, dass auch das teure Zerodur vergleichsweise wenig in’s Gewicht fällt (siehe Bild). Ambitionierte Amateurspiegelschleifer greifen heutzutage hingegen auch für Spiegelgrößen von 35 cm und mehr gerne zu 25 mm dünnem Borosilikatglas und warten bei den finalen Messungen etwas bis der Spiegel temperiert ist. Sie werden mit geringem Gewicht, schneller Auskühlung und damit mit minimalen Temperatureffekten belohnt.

Hauptspiegel aus Sital mit 1,20 m Durchmesser und ca. 420 kg Masse bei der Installation des Monet North Teleskops am Mc. Donald Observatory, Texas. Für solche Anwendungen lohnt sich Glaskeramik.

Stoffeigenschaften von Spiegelsubstraten
Material Spez. Dichte
[g/cm^3]
Therm. Ausdehnungskoeffizient
[1/K*10-6]
Wärmeleitfähigkeit
[W/(m*K)]
Spez. Wärmekapazität
[kJ/(kg*K)]
Zerodur 2,52 +-0,02 1,46 0,82
Astrostal 2,46 +-0,05 1,18 0,92
Quarz 2,20 0,56* 1,38 0,75
Pyrex 7740 2,23 3,25 1,2 0,83
Duran
Borofloat / Supremax
BK 7 2,51 7,1 1,11 0,86
Plattenglas 2,50 8,6 0,75 0,73
Zusammengestellt aus Schott Katalog[1], + weiteren Internetquellen

[1]: Schott Zerodur Stoffeigenschaften
[2]: Properties of mirror substrate materials

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"Offene Gittertuben leiden unter Streulicht und machen flaue Bilder"

Viele Sternfreunde glauben, dass auch bei Spiegelteleskopen nur ein Volltubus einen vernünftigen Streulichtschutz bieten kann, da ja im offenen Tubus das Licht einfach ungehindert eindringen könne und den Kontrast vermindere. Schließlich heißt es ja “Fern-rohr“, also ein Tubus, so wie es sich jeder Leihe ein “richtiges“ Teleskop vorstellt.

Richtig ist jedoch, dass jenes Licht, das einfach nur schräg quasi im “Durchzug“ rein und wieder raus läuft, völlig irrelevant ist. Bei einem offenen Tubus kann man sogar mit der hellen Taschenlampe quer hinein leuchten, während ein Beobachter sich eine schwache Galaxie anschaut - solange dieses Fremdlicht nicht ins Okular gelangt, wird der Beobachter nichts davon bemerken. Entscheidend ist also, wie viel “falsches Licht“ auch wirklich den Weg zum Okular (bzw. zur Kamera) findet. Als falsches Licht gilt hier alles, was nicht vom dem Himmelsausschnitt kommt, der betrachtet wird.

Wie stellt man sicher, dass möglichst wenig von diesem Streulicht direkt, oder durch Reflektion an den Bauteilen zum Okular gelangt? Man schaue einfach durch die leere Okularauszughülse.

Außer dem vom Hauptspiegel kommendem “echten Licht“ darf keine Umgebung sichtbar werden. Schnell werden bei dieser Betrachtung z.B. zu kurze Newton Tuben entlarvt, wenn man beim schräg durchgucken an der Tubusoberkante vorbei den Himmel noch sehen kann (hier schafft ein einfacher Lappen als Tubusverlängerung gegenüber dem Fangspiegel effektive Abhilfe). Ebenfalls werden Lichtleckagen zwischen Innentubus und Hauptspiegel erkannt, die bei Beobachtung über Schnee fatale Folgen haben. Gegen indirekten Streulichteinfall müssen alle Bauteile wie Streulichtblenden oder Tubuswände, die man vom Okularende aus sieht, möglichst reflexfrei ausgeführt sein. Dabei gilt, je größer die Winkelausdehnung des Bauteils und je höher das Reflektionsvermögen, um so größer der Streulichtanteil. Wahre Kontrastkiller sind dabei z.B. silbern glänzende Newton- Fangspiegelflanken, innen hochglanzeloxierte Okularauszüge, oder verchromte Okularinnengewinde, da diese sich sehr nahe am Okular befinden.

Ein scharfer Test, wie gut die Streulichtunterdrückung gelungen ist, erfolgt am besten bei Betrachtung eines Deep Sky Objekts bei hoher Vergrößerung (und damit geringer Himmelshintergrundhelligkeit) während ein Helfer mit der Taschenlampe aus verschiedenen Winkeln versucht in das Okular zu leuchten. Da sieht manch ein kommerziell gebauter Volltubus Newton gegen ein offenes Gitterrohr mit optimal gesetzten Streulichtblenden sprichwörtlich blass aus.

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