D086_01 * 400 Zeiss Cassegrain von 1935

Anmerkung des Verfassers:

Jedes Bild in meinem Bericht hat eine Webadresse, also einen Link, unter dem man es isoliert aufrufen kann: z.B. 
http://rohr.aiax.de/L_ZCass_09.jpg Der hintere Teil des Links ist also die Bildnummer: "L_ZCass_09.jpg" . Damit ist
eine Zuordnung jederzeit möglich. (L für Ludes, Z für Zeiss, 09 die laufende Nummer.) Siehe auch meine Anmerkungen:



 
https://de.wikipedia.org/wiki/Sternwarte_Greifswald
https://www.sternwarte-greifswald.com/
https://www.sternwarte-greifswald.com/die-sternwarte/teleskope/

 

Die Universitäts-Sternwarte in Greifswald feiert in 6 Jahren ihr hundert-jähriges Bestehen. Also ein triftiger Grund, auch das Instrumen-
tarium auf den neuesten Stand zu bringen. Hier handelt es sich um das 400/9600 Cassegrain-System, das 1935 von der Firma Carl Zeiss
Jena hergestellt worden war mit einer sehr langen Systembrennweite von ca. 9600 mm bei einem Öffnungsverhältnis von ca. F/24 .  Da
ich zunächst keine Systemdaten bekommen habe, war es erforderlich, die Spiegel-Radien auszumessen und über ein simuliertes ZEMAX-
Design die wahrscheinlichen Abstände zu ermitteln. Dabei tauchte interessanterweise ein Flächenfehler auf dem Hauptspiegel auf, der
vom damaligen Feinoptiker für vernachlässigens-Wert gehalten worden war, besonders, wenn wie auf der Webseite zu entnehmen ist,
das Cassegrain-System nur fotografisch genutzt wird.

Zitat Wikipedia: " Die Sternwarte Greifswald ist eine seit 1924 an der Universität Greifswald bestehende Sternwarte, die von ihrer Einrichtung

bis zum Zweiten Weltkrieg für wissenschaftliche Forschung genutzt wurde. Seit 1992 wird sie auch als Volkssternwarte geführt und durch einen
gemeinnützigen Verein betreut. Sie dient neben der akademischen Lehre vorwiegend der Amateurastronomie und der astronomischen Bildung
von Schülern und Laien durch Führungen, Vorträge und Ausstellungen."   

Das im folgenden Bericht beschriebene Cassegrain-System hat also schon 83 Jahre "überlebt". 
  

L_ZCass_07.jpg
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L_ZCass_08.jpg
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Auf der Hauptspiegel-Rückseite findet man das Zeiss-Logo mit der Fertigungs-Nummer 16379. Zunächst wird im ersten Schritt nur dessen Qualität  
untersucht. Da dieser eine 110 mm Mittenbohrung hat, mußte ein Adapter hergestellt werden, damit man ihn gegen einen gleichgroßen Flat
zentrieren kann.


L_ZCass_09.jpg

Dabei sprengt der große Radius von 5506 mm meine räumlichen Möglichkeiten von 6 x 6 Meter, sodaß man zunächst den HS-Krümmungsradius
mit einem Spherometer ermittelt. Zur Überprüfung mit dem Interferometer reichen 6 Meter gerade noch aus. Unten links ist der Adapter eingeblen-
det, dessen kleinerer Durchmesser paßgenau in die Bohrung eingefügt werden kann und dessen größerer Durchmesser an die Spiegel-Fläche
"anschlägt", so als ob (mit Hilfe des kleinen Spiegels) die Bohrung nicht vorhanden wäre.  


L_ZCass_10.jpg

Sehr aussagekräftig ist bereits das Foucault-Bild des Hauptspiegels: Die Parabel wurde mit Zonenpolierern erstellt, eine Technik, die man heute
nur mehr selten findet. Ein von Carl Zambuto hergestellter Spiegel hätte dieses Merkmal nicht.  Die Fläche selbst hat unten links eine Anomalie,
wobei nicht klar ist, wodurch diese erzeugt wird: Ist es ein Beschichtungsfehler - eher unwahrscheinlich - oder ein Materialfehler im Glas selbst,
der durch die Politur nicht zu beseitigen war, oder aber, und das ist der wahrscheinlichste Grund, hat der Feinoptiker einen Kratzer herauspoliert.                 


L_ZCass_11.jpg
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Die  Ringzonen-Politur läßt sich auch im Ronchigramm darstellen.                 

L_ZCass_12.jpg
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Der Artificial-Sky-Test läßt eine gute Definition vermuten, auch wenn die Koma (als Zentrierfehler beim Testaufbau) das Ergebnis etwas
eintrübt - muß man sich wegdenken.           


L_ZCass_13.jpg
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Auf diesem Interferogramm  erkennt man den Flächenfehler deutlich in der Größenordnung von ca. PV L/2 wave. Da Markus Ludes ganz in der Nähe
der Universitäts-Sternwarte Greifswald wohnt, hatte man ihn um die Sanierung dieses Cassegrain-Systems gebeten.            


L_ZCass_14.jpg
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Der Parabol-Hauptspiegel zeigt eine leichte Unterkorrektur, was der thermischen Bewegung des Glaskörpers geschuldet ist: Bereits
eine Temperatur-Differenz von nur 1° C zwischen Spiegel Vorder- zu Rückseite zieht den Strehlwert mächtig nach unten. Siehe auch:
F098 Strehl und Temperatur - wenn sich Spiegel durchbiegen               


L_ZCass_15.jpg
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Mit  dem Auswertprogramm AtmosFringe von Massimo Riccardi, Italien, kann man ohne den Flächenfehler das IGramm synthetisch
darstellen.      


L_ZCass_16.jpg
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Die Unterkorrektur von nur PV L/5.9 ist bei diesem Glas-Subtrat allgemein üblich, weil sich der Glaskörper temperaturbedingt "bewegt" und
bei abkühlender Spiegel-Vorderseite die perfekte Parabel in Richtung Hyperbel fallen würde.          


L_ZCass_17.jpg
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Dazu die Wellenfront-Darstellung  

L_ZCass_18.jpg
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Zur Ermittlung der Spiegelradien kann man auch die üblichen Spherometer benutzen - in diesem Fall wird rechts im Bild der Sekundärspiegel ausgemessen.                   

L_ZCass_19.jpg
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Der Vollständigkeit halber auch die einschlägigen Formeln.             

spherometer01.jpg
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Mit  den bisher ermittelten Systemdaten kann man nun mithilfe des Optical Design Programm ZEMAX das vermutete Cassegrain-System
entwerfen, und bekommt so auch die Abstände der Spiegel und den Backfokus. Die konische Konstante der HS-Parabel ist -1, (was im
konkreten Fall nicht exakt stimmt.) für den  Sekundärspiegel ermittelt das Programm den niedrigen Wert von -3, also eine schwache
Hyperbel. Man muß davon ausgehen, daß immer eine leichte Differenz zu den Orginal-Daten besteht -  diese sollen mir noch geliefert werden.              


L_ZCass_20.jpg

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Tatsächlich sind die Ergebnisse aus dem Vergleich von oberer und unterer ZEMAX-Übersicht nicht ganz identisch.  Deshalb liefern
d
ie Zeiss-Daten rechnerisch ein etwas anderes Ergebnis, weil kleine Abweichungen von Abstand und Radien vorhanden sind.  
Sehr unwahrscheinlich  ist jedoch  bei Zeiss der Backfokus von nur 280 mm. Warum? Von diesen 280 mm muß man die
 Dicke des 
Spiegelkörpers von ca. 100 mm abziehen, danach der Weg durch die Spiegelzelle mit mindestens 50 mm (vermutlich mehr) Verbleiben 
für den Okularauszug 130 mm. Einen Zenitspiegel bzw. -Prisma würde man dann schon nicht mehr benutzen können. (Die GSO-RC-Systeme
haben einen vergleichsweise langen Backfokus, obwohl sie fotografische Systeme sind.)    


Aber bei diesem kurzen Zeiss-Backfokus hätte man etwas Spielraum, die Unterkorrektur des Systems auszugleichen, indem man den
Spiegelabstand um wenige Millimeter verkürzt und damit den Backfokus verlängert.
  In diesem Fall würden sich aber die Zeiss-System-
daten wieder meinen Werten annähern.  
 

Alle Berechnungen in einem Optical Design Programm gehen in der Regel von einem perfekten System  aus. Die Rechnung stimmt
zwar in jedem Fall, berücksichtigt aber nicht, ob anschließend der Bearbeiter auch tatsächlich ein perfektes System hergestellt hat.
In diesem Fall erweist sich das System im Test jedoch als unterkorrigiert. Das könnte man korrigieren durch Abstands-Verkürzung beider
Spiegel, wodurch sich der Backfokus automatisch verlängert. Auch aus diesem Grund wurde das System auf der opt. Bank ja aufgestellt.
Die Berechnung eines Systems über ein Optical Design Propgram ist die eine Seite, das tatsächliche hergestellte opt. System etwas völlig
anderes. Nur im Idealfall wären beide identisch. In diesem Fall stimmen 
die von mir gemessenen  Abstände am aufgestellten System mit
den vorher errechneten Abständen überein.  Würde man das System analog zur Zeiss-Berech
nung aufstellen mit dem kurzen Backfokus
von 280 mm, würde die vorhandene Unterkorrektur erheblich zunehmen. So gesehen war es ein  
Glücksfall, das System über eigene
Messungen/Berechnungen zu ermitteln.     





L_ZCass_21.jpg


Nun gilt es die optischen Komponenten so aufzustellen, wie sie auch später im  1 tonnen schweren Tubus eingehalten werden. Dabei benutzte ich
meine in ZEMAX ermittelten Werte, die nicht ganz  mit den Zeiss Daten übereinstimmen . Der Sekundärspiegel sollte deswegen entlang
der opt. Achse um ca. +/- 10 mm verschiebbar sein  - man braucht  ja  den mm-genauen Abstand von Haupt- und Sekundär-Spiegel für den
späteren Einbau in den Tubus.           

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L_ZCass_22.jpg
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Ich mußte also erst eine Nacht über den 1. mißglückten Versuch schlafen, bevor mir die Kollimation des Systems gelang, die im Weiteren
nochmals beschrieben werden soll. 

Bei der Aufstellung des Cassegrain-Systems auf der opt. Bank muß der parabolische Hauptspiegel (HS) und der hyperbolische Sekundär-
spiegel  (SekSp) eine gemeinsame optische Achse bilden. Mindestens die Höhe der beiden Achsen muß gleich sein, alles übrige laßt sich
zurechtschieben bzw. kippen. Im ersten Schritt sollte

- der Abstand beider Spiegel dem errechneten Abstand entsprechen mit einer Verschiebemöglichkeit auf der opt. Achse von +/- 10 mm.
  dies kann man über die Halterung in der Bohrung des Kollimations-Flats auf einfache Weise erreichen.
- Nun muß die Verkippung von Koll-Flat und HS justiert werden. Dazu steckt man ins Zentrum des KollFlats einen Laser, der die optische
  Achse darstellt, und richtet diesen auf das Zentrum des HS und dessen kleinen Planspiegel. 
- der HS wird nun angehoben (d.h. die Achse beider Spiegel auf gleiche Höhe gebracht)  und in zwei Ebenen verkippt, damit von dessen
  Zentrum zurück das Laserbündel in den Ursprung des KollFlat zurückfällt. HS ist nun zum KollFlat justiert, die opt. Achsen fallen zusammen.
- In die Bohrung des KollFlat wird statt des Lasers nun der SekSp so eingesetzt, sodaß  der berechnete Abstand zum HS stimmt.
- Im errechneten Fokus des Systems wird ein Laser so positioniert, daß der mittig durch die Bohrung des HS auf die Mitte des SekSp
  trifft. Von dort muß er über den SekSp in sich zurück-reflektiert werden. Hierfür benutzt man  den Interferometer und dessen Referenz-
  bündel, während der Lichtkegel des zweiten Informations-Bündels dazu benutzt werden kann, den SekSp solange zu verkippen, daß
  er das vom IMeter kommende Licht durch die HS-Bohrung zum Fokus zurück-reflektiert.
- Nun wird man den Fokus-Punkt suchen, der in der Nähe des errechneten Wertes liegen sollte. Nach einer Nacht des Nachdenkens
 war dieser doch tatsächlich schnell gefunden, sodaß ich nun mit der eigentlichen Test-Reihe beginnen konnte.

Über das Interferogramm bekommt man nun die optische Information zum Cassegrain-System, das leicht unterkorrigiert erscheint:
Zum Teil wegen der Unterkorrektur des Hauptspiegels und zweitens wegen des Spiegelabstandes. Würde man beim aktuellen System
die Unterkorrektur auf Null bringen wollen, so hätte man mit einem sehr langen Backfokus zu rechnen, statt der von Zeiss berechneten
280 mm.  Bei niedriger Vergrößerung von 200 bis 300-fach wird man die derzeitige geringe Unterkorrektur kaum bemerken. Fotografisch
auch nicht. 

Abschließend wird mit einem Bandmaß, dessen Toleranzwerte man kennt,  beide Abstände ermittelt: Der Backfokus und der Spiegelabstand.                              

L_ZCass_23.jpg
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Das folgende Bild zeigt die Befestigung  des Sekundärspiegels im Zentrum des Kollimations-Planspiegels: Auf eine Holzscheibe (Multiplex Birke)
wird die ebene Rückseite des SekSp gelegt (gleichgroßer Durchmesser)  und mit einem Textilklebeband verbunden. Diese Holzscheibe
wird mit einer Gewindestange M8 fest verschraubt, sodaß die Gewindestange das Lot zur Scheibe bildet. Auf dieser Gewindestange sitzt u.a. eine
"Pendel-Scheibe". Somit kann die Gewindestange und damit der SekSp in zwei Richtungen verkippt und damit zentriert werden. Dies wird nun
in die Bohrung des weißen Zylinders geschoben, der seinerseits in die Bohrung des KollFlats eingefügt wird (rechts im Bild). Kontrolliert werden kann
dies auf der Rückseite - rechts hinter dem weißen Zylinder - durch eine Stellmöglichkeit, wie auf dem übernächsten Bild zu sehen.                




Auch die Verkippung des SekSp über diesen Mechnismus könnte man perfektionieren, was aber in diesem Fall nicht erforderlich ist.            

L_ZCass_24.jpg
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Nun beginnt die eigentliche Testreihe, am besten mit dem Foucault Test, der sofort wieder die Flächen-Anomalie des HS zeigt, die nach meiner
Vermutung darauf zurückzuführen ist, daß der Bearbeiter einen kleinen Kratzer aus der sonst makellosen Spiegelfläche mit ca. L/4 Glas herauspoliert hat.           


L_ZCass_25.jpg
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Das  Ronchigramm 13 lp/mm im doppelten Durchgang zeigt die Unterkorrektur des Systems (ca. PV L/4) , die ringförmige Politur und die vermutete
Retouche des Kratzers.           


L_ZCass_26.jpg
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Die Auswertung des IGrammes 

L_ZCass_27.jpg
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Die Wellenfront-Darstellung

L_ZCass_28.jpg
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Die Licht-Energie-Verteilung beeinflußt durch die Obstruktion des Systems, die ein Teil des Lichtes in die Beugungsringe verschiebt

L_ZCass_29.png
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Das sythetische Interferogramm

L_ZCass_30.jpg
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Und  schließlich das temperatur-abhängige Strehlergebnis von hier knapp 0.80 Strehl. (Ein weiteres Beispiel, daß die Strehl-Fixierung
nicht immer sinnvoll ist.)           


L_ZCass_31.jpg

Der Sekundärspiegel braucht eine neue Beschichtung, aber dann würde das Cassegrain-System wieder in altem bzw. neuen Glanz erscheinen.         
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Weitere Bilder: 

http://www.wolkenmond.de/foto/unterwegs/2012/04/05/DSC_4690.JPG
https://www.uni-greifswald.de/fileadmin/_processed_/b/0/csm_symbolbild-sternwarte_200dpi_1500xnn_kd_b316b80360.jpg
http://www.ostsee-zeitung.de/var/storage/images/oz/vorpommern/greifswald/blick-in-die-sterne/264252132-2-ger-DE/Blick-in-die-Sterne_big_teaser_article.jpg


Kommentare   

# wolfgang 2018-11-19 15:08
Auf Wunsch der Greifswalder Sternfreunde:

Bitte richte Wolfgang unsere besten Grüße aus und falls er es als legitim und machbar ansieht,
dann möchte ich ihn herzlich bitten, seinen Blog um folgendes Zitat und Lob von mir zu erweitern:


Grüße aus Greifswald an der Ostsee


Sehr geehrter Herr Wolfgang Rohr,

vielen Dank für Ihren äußerst gelungenen Beitrag, der mich persönlich hoch erfreut!

Mir schwebte vor gut 20 Jahren auch ein Einbau in einer optischen Bank mit einer lasergestützten Vermessung vor. Da sich jedoch das Internet in DE erst im Aufbau befand und wir keinerlei Kontakte zu einem so erfahrenen Spezialisten wie Ihnen hatten, hatte ich damals testweise zusammen mit weiteren Vereinsmitgliedern begonnen, die Fokuslängen des Cassegrain-Systems über das schrittweise Verschieben des Sekundärspiegels auf einer Gewindestange, beidseitig gehalten durch Muttern und Schrauben, zu ermitteln. Wie ich dank Ihrer ausführlichen Beschreibungen nun erfahren durfte, kennen wir nun zwei wichtige Gründe für unser Scheitern: a) der eingebaute Zustand und b) die von Ihnen benutzte Kippvorrichtung.

Lassen Sie mich die Gelegenheit nutzen, mich bei Ihnen im Namen der 57 Mitglieder des Greifswalder Sternwarte e.V. ganz herzlich zu bedanken. Sie haben uns mit der professionellen Vermessung und Ihren wertvollen Empfehlungen für das weitere Vorgehen beim Wiedereinbau und Testen durch Herrn Markus Ludes (APM Telescopes, Saarland) in der Greifswalder Sternwarte ein großes Geschenk bereitet. Dank Ihrer tollen Ausrüstung und Ihres großen Know-hows konnte ein wichtiger Meilenstein in der Nachdokumentation des weltweit einzigen CARL-ZEISS-DOPPELTELESKOP s erbracht werden. Seien Sie herzlich zu einem Besuch in unsere schöne Sternwarte eingeladen, von der sich ein großartiger Anblick auf den Greifswalder Bodden bis hin zur Insel Rügen ergibt.


Mit freundlichen Grüßen
Ihr Dr. Tobias Röwf
- Vorstandsvorsitzender -
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