Katadioptrische Foto-Objektive – Teil III

Teil III: Katadioptrische Foto-Objektive von 1946 – heute.

(Teil I finden Sie hierTeil II hier.)

Die Erkenntnisse aus Teil II führen zu dem Schluß, dass für die ab den 1950er Jahren aufkommenden katadioptrischen Foto-Objektive aus den vielfältigen, bereits für Astro-Anwendungen bekannten „katadioptrischen Dialyten“ (Brachymediale) abgeleitet wurden, von denen einige schon bis zu 150 Jahre bekannt waren und unter denen Maksutov eine spezielle Variante ist.

Eine kurze Geschichte der Katadioptrischen Foto-Objektive:

Mit dem starken Aufkommen der Spiegel-Linsen-Objektive in den 1960-70er Jahren bildeten sich spezielle Konstruktionsmerkmale heraus, die in dieser Form bei astronomischen Fernrohren meist nicht zu finden sind:

a) Außer der Tatsache, dass die Foto-Optiken sehr robust und hermetisch dicht gebaut sind, wurde zunehmend auf die Bohrung im Primärspiegel verzichtet! Das bedeutet, dass die Strahlen, die vom Sekundär-Spiegel zurück geworfen werden, nicht mehr durch eine Öffnung im Hauptspiegel zur Kamera bzw. Filmebene gelangen, sondern durch einen unverspiegelten zentralen Bereich der Spiegelfläche durch das Glas des Spiegelkörpers treten.

Das bedeutet, dass der Innenbereich der Optik zwischen den beiden Spiegeln noch besser hermetisch abgeschlossen ist. Es bedeutet gleichzeitig, dass der zentrale Bereich des Spiegelkörpers auch noch als brechendes Linsenelement im Strahlengang einbezogen ist. Dieser Bereich bildet dann oft zusammen mit 1-3 weiteren Linsen den Sub-Apertur-Korrektor im Strahlengang nach dem Sekundärspiegel. Er muss aus Linsen-Glas allerhöchster Güte bestehen, da dieser Bereich des Hauptspiegels – im Falle eines Mangin-Spiegels – dreimal von jedem Lichtstrahl durchlaufen wird!

b) Immer häufiger treten nach 1965 Mangin-Spiegel auf, was ja der Grundkonfiguration des Hamilton-Teleskopes entspricht. Zuerst finden sich Primärspiegel als Mangin-Typ, bald auch beim Sekundärspiegel bzw. in beiden Positionen gleichzeitig oder auch nur beim Sekundärspiegel. Wie wir oben gesehen haben (Hamilton-Teleskop) ist der Mangin-Spiegel bereits ein Grund-Element des kadadioptrischen Dialyts – für sich genommen ist er meines Wissens nie als Teleskop oder Astrokamera verwendet worden.

Bild 1: Mangin-Spiegel – Quelle: Wikipedia – Autor: not known – https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/

Neben der Wirkung als Element der optischen Rechnung liefert der Mangin-Spiegel zwei weitere Vorteile für das Foto-Objektiv:

  • Die an der polierten Glasfläche anliegende reflektierende Spiegeloberfläche ist in der Mikro-Oberflächenstruktur wesentlich glatter als eine aufgedampfte Aluminium-Schicht auf ihrer „offenen“ Seite, die auch noch mit einer transparenten Schutzschicht (meistens Si02) überzogen werden muss.
  • Die Verspiegelungs-Schicht ist gegen den Zutritt von korrosiven Gasen, Feuchtigkeit etc. perfekt geschützt und behält langfristig seine uneingeschränkte Wirkung. Dies alleine wäre schon ein ausreicheder Grund, um diese Bauweise zu bevorzugen!

c) Foto-Objektive katadioptrischer Bauart benötigen zur Abschirmung gegen Falschlicht rohrförmige Blenden um den Zentralen Strahlen-Durchlass im Zentrum des Primärspiegels (nach vorne in Richtung des Sekundärspiegels) bzw. um den Sekundärspiegel herum (in Richtung Hauptspiegel), um die Kamera vor einfallendem Falschlicht zu wchützen. Auf dem folgenden Linsenschnitt sind die Tubus-Blenden und das Problem des Falschlichtes gut zu erkennen:

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Bild 2: Linsenschnitt mit Abschirmtubus-Blenden gegen „Falschlicht“am Olympus Zuiko Reflex 500mm f/8 (in diesem Bild ist der Lichteintritt rechts!) – Quelle: Olympus Produktbeschreibungs- und Spezifikationsdatenblatt zum Objektiv

An diesem Bild kann man gut erkennen, dass ohne diese beiden Blenden Lichtstrahlen durch die ringförmige Apertur-Öffnung (rechts) direkt und ohne Reflexion an den Spiegeln auf das Zentrum des Hauptspielgels und damit auch in die Kamera gelangen könnten! Eine Gegenlichtblende vor dem Objektiv kann das nur dann sicher verhindern, wenn die Gegenlichtblende extrem lang wäre – was natürlich dem Objektiv-Konzept widerspricht …

Die Existenz dieser rohrförmigen Blenden im zentralen Bereich hat Auswirkungen auf die sog. Obstruktion – also die Abschattung der Lichtstrahlen im Zentrum der Apertur:

Bei Strahlenbündeln, die vom Bildfeldrand schräg in die Optik einfallen, werfen die Tubusblenden einen Schatten auf den Hauptspiegel. In der Folge ist nicht mehr die gesamte Ringförmige Spiegelfläche „aktiv“. Sie ist in der Breite des Blendentubus unterbrochen. Man kann das bei geeigneter Bildstruktur an den außerfokalen Apertur-Ringbildern von Lichtreflexen sehen, wie folgend in dem absichtlich unscharf gestellten Aufnahme des Hausdaches gut zu erkennen ist:

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Bild 3:Tubusblenden-Schatten“ bei den außerfokalen Unschärferingen im Randbereich mit dem Olympus OM Zuiko Reflex 500mm f/8: unten-links und -rechts sieht man die kleinen „Packman-Ringe“ – die Öffnung weist zum Bildzentrum hin. – Quelle: fotosaurier

d) Die große Korrektor-Linse in der Lichteintritts-Apertur dient immer auch gleichzeitig als Tragstruktur für den Sekundärspiegel. Wie im Teil I ausführlich beschrieben wurde, führt die „Obstruktion“ durch den Sekundärspiegel im Strahlengang zu einer Kontrastverringerung des Beugungsbildes 1. Ordnung. Aber wenigstens werden durch das Fehlen von Tragspinnen die dadurch verursachten Beugungs-Spikes in den Bildern einer Punktlichtquelle vermieden, wie sie beim normalen Newton und Cassegrain auftreten.

Meine persönlichen MEILENSTEINE katadioptrischer Foto-Objektive (CATs):

Vorbemerkung: die Einordnung bestimmter Objektive als „Meilenstein“, die ich hier vornehme, ist rein SUBJEKTIV und basiert auf meinem – begrenzten – Wissen bzw. meiner Erfahrung. Mir ist bewusst, dass andere Fotografen und Beobachter zu etwas anderen Schlüssen kommen können, die ihrer eigenen Erfahrung entsprechen.

An dieser Stelle möchte ich noch einmal ins Gedächtnis rufen, dass in den 1950er bis 70er Jahren gegenüber „langen“ Teleobjektiven (>200mm Brennweite) nicht nur Kompaktheit (Baulänge) und geringes Gewicht für die „CATs“ sprach, sondern vor allem die Freiheit von Farbfehlern (Chromatische Aberration, „CA“) – im Verhältnis zum Preis! Es gab zwar in den 1970ern bereits die ersten farbreinen Telekanonen mit Fluorid-Linsen – aber zu einem extrem hohen Preis unter Verwendung eines sehr empfindlichen Materials. Den Preis konnten/wollten sich sicher wenige Amateurfotografen leisten. So bin ich überzeugt, dass die „Blüte“ der katadioptrischen Teleobjektive hauptsächlich vom Amateur-Segment getragen war.

Darüber, warum die katadioptrische Objektivbauform fast völlig wieder verschwunden ist,  werde ich am Ende dieses Artikels einige (begründete) Vermutungen anstellen.

Hier nun mein kurzer Überblick auf die Zeitskala und die Entstehungsgeschichte geschlossener katadioptrischer Systeme, die als Foto-Objektive geeignet waren oder spezifisch dafür gebaut wurden.

Ich führe hier auch die mir bekannte Grundlagenentwicklungen ebenfalls im Zeitstrahl mit auf, damit die zeitliche Dimension mit einem Blick sichtbar wird.

Ich führe dann Foto-Objektive auf, die aus meiner Sicht Meilensteine der Entwicklung solcher Optiken darstellen. Dies ist keine vollständige Beschreibung dieses Objektiv-Segmentes! Ich versuche derzeit Informationen über alle jemals gelieferten Photo-CATs zu sammeln und hoffe in einigen Monaten eine fast vollständige Liste veröffentlichen zu können.

Fast alle bekannten katadioptrischen Teleobjektive wurden für das Kleinbildformat gerechnet. Einige wenige zeichneten Mittelformat 6×6 oder 6×7 aus: Carl Zeiss Jena Spiegelobjektive 500mm und 1.000mm, Kilfitt 500mm und 1.000mm und Pentax 6×7 1.000mm f8 – soweit mir bekannt ist.

1814

Grundlagen-Erfindung (Astronomie) des Katadioptrischen Dialyts (auch „Brachymedial“ genannt) durch Hamilton und darauf folgend eine  große Reihe von Varianten und Weiterentwicklungen.

Hier der Link zu Hamiltons GB-Patent Nr. 3781.

Bis in jüngerer Zeit hat eine italienische Firma tatsächlich noch Hamilton-Teleskope/-Kameras für astronomische Zwecke geliefert (Ceravolo).

1930

Grundlagen-Erfindung (Astronomie) der Schmidt-Korrektor-Platte – daraus entstanden Schmidt-Kamera und Schmidt-Cassegrain-Teleskop

1940/41

Grundlagen-Erfindung (Astronomie) des Maksutov-Korrektor-Meniskuslinse – daraus entstanden das Maksutov-Cassegrain-Teleskop – genau betrachtet ist es aber eine Sonderform des katadioptrischen Dialyts.

ab 1945

Maksutov-Cassegrain 3,5″ f/12-Teleskope – Lieferung großer Stückzahl des Teleskops an sowjetische Schulen, gebaut (anfangs) vermutlich in Nowosibirsk. Wenn Sie wissen wollen, wie das Schul-Teleskop aussah, folgen sie bitte diesem Link zu einer sehr kompakten Biografie Maksutovs auf Prabook. Dort sehen Sie ein Bild von D. Maksutov mit „seinem“ Schul-Teleskop vor ihm auf dem Schreibtisch. Mit ähnlicher Spezifikation wurde es in Polen als „PZO“ hergestellt und in der DDR von Zeiss als „Telementor„. Diese Geräte wurden auch (da sie Devisen brachten!) in den Westen verkauft.

Bemerkenswert ist, dass die Motivation, ein extrem robustes und haltbares sowie wartungsarmes Fernrohr für Schulen zu schaffen, bei Dimitri Maksutov zu der ursprünglichen Idee für das Meniskus-Tesleskop-Design führte. Ich sehe darin ein Beispiel, dass auch das Streben nach Gemeinwohl zu hervorragenden Innovationen führen kann!

In diesem Link zu „cloudynights.com“ fand ich weitere interessante Fotos des polnischen PZO-Instruments.

ab 1954

QUESTAR Maksutov-Cassegrain-Teleskop 3,5″ (in Großserie gefertigt bis heute)

Klassisches Maksutov-Cassegrain, Brennweite 1280mm f/14.4 (Spezifikation ab 1961) – wurde und wird auch als Teleskop-Tubus („Field-Model“ oder „Birder“) mit Okular- oder Kameraanschluss geliefert.

Ein Kult-Klassiker der Amateur-Astronomie. Aber auch die NASA soll einige beschafft haben …

Bild 4: Questar-3,5″-Teleskop mit ausgezogener Taukappe – Quelle Wikipedia, Autor:Hmaag – https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0

ab 1936 bis in die 1960er Jahre

wurden mindestens in Deutschland (Zeiss), Japan (Nikon) und Russland (GOI) und USA (Kodak) große semi-transportable (meist katadioptrische) Spiegelobjektive für militärische und satellitengestützte Anwendungen entwickelt. Diese waren ausschließlich vom Maksutov-Typ und hatten Brennweiten von 1.800mm – 8.200mm. Viele Informationen dazu gibt es im Übersichtsartikel von Marco Cavina in diesem Link. Auf diese umfangreichen Erfahrungen konnten sich die Optik-Unternehmen dann nach dem 2. Weltkrieg bei der Entwicklung von katadioptrischen Wechselobjektiven für Spiegelreflex-Kameras stützen.

vor 1958

Erste Maksutov-Cassegrain-Teleobjektive für SLR von LZSO, Sowjetunion: MTO 1.000mm f/10.5  und MTO 500mm f8 – erhielten eine Goldmedallie auf der EXPO in Brüssel 1958.

Ich weiß nicht, wann genau diese Maksutov-Cassegrain auf den Foto-Markt gebracht wurden. Es muss noch unter der strengen Überwachung von Dimitri Maksutov selbst gewesen sein, der ja bis 1964 lebte. Gibt es Leser, die da weiter helfen können?

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Bild 5a: MTO-500mm f/8 – Quelle: fotosaurier

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Bild 5b: MTO-1.000mm f/10 – Quelle: fotosaurier

Das archaische Design und die solide Bauweise führten dazu, dass die Optiken (bis heute) von Fotoamateuren liebevoll als „Russentonnen“ bezeichnet werden. Herstellerbezeichnungen waren und sind MTO, Arsenal, Rubinar. Nicht immer waren die Optiken leider in der Qualität konstantd, was oft an verspannt eingebauten Spiegeln gelegen haben soll. Ein Bericht dazu (Dr. Wolfgang Strickling) finden Sie hier.

1959/1961Nikon bringt nach den russischen MTOs bereits 1959 sein erstes CAT mit ehrgeizigen Daten auf den Markt, das Reflex-Nikkor 1.000mm f/6.3 – und bereits 1961 folgt ein Reflex-Nikkor 500mm f/5. Ab den frühen 1970er bis in die 2000er Jahre bietet dann Nikon kontinuierlich das „Reflex-Nikkor-Trio“ 500 f/8 + 1.000 f/11 . 2.000 f/11 an. Viele Details findet man in dem Artikel von Marco Cavina – für die Liebhaber der italienischen Sprache! Die 2.000mm f11 wurden demnach alle von 1971 bis 1975 in zwei Versionen gefertigt. Das eklärt wohl zur Genüge, warum Ihnen das 2.000er CAT so selten in „freier Wildbahn“ begegnet.

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Bild 6: Reflex-Nikkor C 500mm f/8 – Quelle: fotosaurier

1961Carl Zeiss Jena

stellt das katadioptrische „Spiegelobjektiv“ 500mm f4,0 auf der Leipziger Messe vor (Entwickelt ab 1955 von Dr. Harry Zöllner, W. Dannenberg. (Kurze Zeit später kommt auch ein Spiegelobjektiv 1.000mm f5,6, die sog. „Stasi-Kanone“, hinzu). Die Optiken sind für Mittelformat 6 x 6 gerechnet und geliefert worden!

Frei zugängliche Darstellungen von Linsenschnitt, Auflösung und MTF-Kurven stehen mir bisher zu diesen Optiken nicht zur Verfügung. Allerdings gibt es einen fabelhaften synoptischen Artikel von Marco Cavina, in dem das Jena-Spiegelobjektiv 500mm f/4.0 und das Mirotar f/4.5 im Detail ausführlich beschrieben und verglichen werden.

Bereits 1941 hatten bei Zeiss die Konstrukteure Robert Richter und Hermann Slevogt ein CAT-System (Richter-Slevogt-Teleskop) entwickelt und angemeldet, das dem kurz vorher in GB angemeldeten „Houghton-Teleskop“ (s. Teil II) ähnelt. Wahrscheinlich wussten beide Gruppen damals im Krieg nichts voneinander.

Auf diese Entwicklungen von 1941 geht offensichtlich dieses Carl Zeiss Jena-Spiegelobjektiv zurück.

Cavina äußert in seinem Artikel die Vermutung, dass die optische Leistung des Jena-Objektivs nicht an das folgend beschriebene, kurz danach heraus gekommene Objektiv von Zeiss Oberkochen heran kommt, da es vermutlich als IR-Fernobjektiv für Aufnahmen auf IR-Schwarzweißfilm entwickelt wurde.

In dem Blog „Zeissmania“ (Teil II) finden sich einige Aufnahmen,die der Autor selbst mit dem Zeiss Jena 1.000 f/5.6 gemacht hat (Website der Burgenländischen Amateurastronomen BAA).

1963Zeiss Oberkochen (West)

stellt das MIROTAR 500mm f/4,5 vor und fertigt 200 Exemplare für Contarex.  Zeiss-Konstrukteure sind Helmut Knutti und Alfred Opitz. Später wird noch einmal ein kleines Los speziell mit dem Kyocera-Contax-Anschluss (c/y) gefertigt. Etliche nagelneue Contarex-Objektive wurden (lt. Marco Cavina) auch im Werk auf  c/y umgerüstet. Ab 1975 liefert Zeiss ein MIROTAR 1.000mm f5,6 und fertigt 20 Exemplare. (Alle Mirotare sind für Kleinbild-Format gerechnet.)

Mirotar 500mm f4,5_strahl

Bild 7: Linsenschnitt des Zeiss Mirotar 500mm f4.5 – Maksutov-Design mit zwei Korrektur-Menisken aber noch kein Mangin-Spiegel – Quelle: Datenblatt Fa. Zeiss

Spezifikations-Datenblätter von Zeiss mit Linsenschnitten finden Sie hier und hier.

Dies ist ein Vertreter der „Maksutov-Fraktion“, noch mit durchbohrtem Primärspiegel.

Zeiss verwendet hier noch keinen Mangin-Spiegel! Für das benötigte große Bildfeld des Kleinbild-Formates und dem großen Öffnungsverhältnis von f/5.6 ist ein einfacher Maksutov-Meniskus allerdings nicht ausreichend als Korrektor bei höchsten Ansprüchen. Daher verwendet Zeiss davor noch einen zweiten (umgekehrten) und sehr dicken Meniskus – eine Lösung, die auch Maksutov selbst für die großen astronomischen MAK-Kameras in Chile und im Südkaukasus bereits verwendet hatte.

Das Mirotar 500mm f4.5 gilt als Referenz-CAT im Kleinbild-Bereich. Im Artikel von Marco Cavina ist die MTF-Kurve – im Vergleich mit anderen APO-Objektiven und dem 500mm f/8 von Zeiss – dargestellt: sie ist allen anderen Optiken weit überlegen.

vor 1964Canon

stellte für die Olympiade in Tokyo drei CATs der Superlative zur Verfügung, die wohl weniger in den Amateurfotografen-Sektor passten, aber umso bemerkenswerter sind:

  • Canon TV-800 f3.8
  • Canon TV-2.000mm f11
  • Canon TV- 5.200mm f14

Sie haben richtig gelesen – kein Druckfehler! Ich habe keine Ahnung, in welchen“Stückzahlen“ Canon diese Optiken gefertigt hat. Sie wurden also offensichtlich mit Vidicon für das Fernsehen eingesetzt. Hier findet man in einem weiteren Artikel von Marco Cavina (auf Italienisch) mehr Informationen darüber.

1965 – Der US-Photodistributor „Spiratone

beginnt ein Maksutov-Cassegrain-Objektiv 500mm f/8 – gefertigt bei LZOS in der Sowjetunion – im Westen zu liefern. Es bekommt in Fotozeitschriften sehr gute Testergebnisse. Später (jedenfalls VOR 1983) kommt ein katadioptrisches Spiegelobjektiv 300mm f5.6 hinzu.

1965 bis 1980 – dies ist die Periode,

in der JEDER Kamera- oder Objektiv-Hersteller ein oder mehrere Foto-CATs heraus brachte.

Binnen kürzester Zeit war es Standard, dass die Original-Hersteller (Nikon, Canon, Pentax, Minolta, Yashica) mindestens zwei CATs in seinem Programm anbot: alle hatten ein 500mm f/8 CAT zu bieten, sowie am langen Ende entweder 800mm f/8 (Minolta) oder 1.000mm f/10 oder f/11. Es kamen auch einige 1.200mm- und  2.000mm-Optiken auf den Markt. Wie schon gesagt, arbeite ich an einer möglichst vollständigen Übersicht. Pentax  brachte zusätzlich zu seiner Kleinbild-Linie ein Reflex Takumar 1.000mm f/8 für Mittelformat (die Pentax 67) heraus. Das gab es meines Wissens sonst nur bei Zeiss Jena und Kilfitt.

Eine Ausnahme bildete Olympus, wo man zögerte um erst 1982 ein einziges aber sehr kompaktes Zuiko Reflex 500mm f/8 heraus zu bringen (s.u.).

Die Leica CATs „MR-Telyt-R“ waren Minolta-Objektive in einem Leica-Design.

Die „echten“ Fremdobjektiv-Hersteller („3rd-party-lenses“) reagierten ebenfalls sehr schnell: anscheinend allen voran SIGMA, die sehr früh (Datum?) ein super-lichtstarkes 500mm f/4.0 heraus brachten. Ich fand einen Bericht eines amerikanischen Fotofreundes, der diese Optik in einem völlig  verwahhrlosten Zustand  fand und mit seinen eigenen Bordmitteln „aufarbeitete“ (Respekt!). Schließlich stellte er fest, dass es nicht so schlecht gewesen sein kann.

Sigma hat dann über die Jahrzehnte den größten „Zoo“ von katadioptrischen Brennweiten auf den Markt gebracht. Dabei auch die eher ungewöhnlichen Brennweiten 400mm und 600 mm. Ich hatte einmal ein 600er Sigma-CAT, das mich aber nicht voll überzeugen konnte.

Dabei waren natürlich auch Tokina und Tamron mit eigenen katadioptrischen Designs – wobei man feststellen muss, dass die 1979/81 erschienenen Tamron 500mm f/8 und 350mm f/5.6 an die Spitzengruppe der (späteren!) Objektive von Olympus und Zeiss heran kamen. Das Tamron 500 f/8 CAT war sogar noch etwas kürzer und leichter als das 1982 erschienene Olympus 500 f/8. Bild und Linsenschnitt hier auf der Adaptall-2-Website. Beim 350er Tamron ist die aufschraubbare Gegenlichtblende (unbedingt benutzen!) praktisch genau so lang, wie das Objektiv selbst.

Makinon war ein weiterer echter japanischer Fremdobjektiv-Hersteller mit meist recht guten Produkten.

In Europa/Deutschland gab es nun ab 1972 keinen ernst zu nehmenden SLR-Hersteller mehr. Es gab allerdings noch berühmte Fremdobjektiv-Hersteller, allen voran Kilfitt/Zoomar. Legendär ist das Kilfitt-Zoomar Sports-Reflectar 500mm f/5.6 (Ende der 1960er), detailliert beschrieben hier auf der Pentaconsix-Website – und hier das 1970 vorgestellte Kilfitt/Zoomar Sports-Reflectar 1.000mm f/8 beide gerechnet für Mittelformat und mit dem Kilfitt WE-Adaptersystem auch an vielen Kameras verwendbar.

Eine unübersehbare Menge von Handelsmarken boten eine große Zahl von CAT-Varianten sehr billig an. Meines Wissens war 1965 zeitlich der früheste Spiratone, USA (siehe oben) – bei dem man auch wusste, wer der Hersteller war (MTO bzw. LZSO in Russland). Bei den anderen habe ich keine Ahnung, wer der Hersteller gewesen sein kann. Mir ist – ausser dem besagten Spiratone – keines bekann, das durch eine besonders hohe optische Qualität aufgefallen wäre.

1975 VivitarSeries1 Solid CAT 800mm f11 und 600mm f8

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Bild 8: Vivitar Series 1 Solid Cat 800mm f/11 an der Sony A7RIV (ohne Gegenlichtblende)- Quelle: fotosaurier

Anfang der 1970er Jahre las ich über ein neu veröffentlichtes Patent von Perkin Elmer über eine sogenannte „Solid Catadioptric Lens“ – d.h. ein Spiegellinsen-Objektiv, das quasi „aus einem einzigen Glaszylinder“ bestehen sollte (gelesen möglicherweise bei Herbert Keplers „Kepler on the SLR“ in Modern Photography?):

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Bild 9: Skizze aus der Patent-Anmeldung Perkin Elmer „Solid-Cat“ von 1967, erteilt 1970. Quelle: US-Patentanmeldung US3547525A

Diese Optik sollte extrem kurz bauen – ich war begeistert. Einige Jahre später erfuhr ich schließlich in der „Modern Photography“, dass dieses Objektiv als Vivitar Series 1 Optik 800mm f/11 tatsächlich am Markt erschienen sei.

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Bild 10: Linsenschnitt VivitarSeries1 Solid-Cat 800mm f/11. Er liegt erstaunlich nahe am ursprünglichen Entwurf! – Quelle: Patent Perkin Elmer

Da war sofort klar, dass ich das irgendwann haben müßte – was dann noch einige Jahre gedauert hat… Über die Geschichte der Vivitar Series 1-Optiken wird irgendwann separat zu berichten sein. Für uns waren diese Objektive damals in den 1970er Jahren eine Offenbarung – und die meisten davon besitze ich noch bis heute!

Die beiden Solid-Cats (600mm und 800mm) bauen extrem kurz – sind aber deutlich schwerer als die sonst gängigen CATs am Markt.

Erst Jahrzehnte später stieß ich dann auf die spezielle Geschichte dieses Objektivs, das mich so fasziniert hat. in den Archiven der „SPIE“ findet sie sich in Form eines Interviews mit dem Konstrukteur dieses Objektivs, Juan L. Rayces (1918 – 2009). Darin enthalten auch ein Foto des Konstrukteurs mit seinem Objektiv auf dem Stativ – am belebten Strand! (Heute wohl nicht mehr denkbar…)

Auch Perkin Elmer lieferte Exemplare diese Objektivs unter der eigenen Marke (und auch Spezialausführungen an die NASA).

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Bild 11: Solid Cat-Ausführung 800mm f/11 unter Perkin-Elmer-Eigenmarke – Quelle: fotosaurier

Was unter der Marke „Vivitar Series 1“ wirklich geschah: die Fertigung lief 1975 an – wurde aber nach 3 Monaten wieder gestoppt, weil Vivitar feststellte, dass es für ein Amateur-Objektiv zu teuer war. Daher gibt es wohl tatsächlich nur eine relativ geringe Stückzahl von Objektiven weltweit (obwohl es damals heftig – auch in Deutschland – beworben wurde).

1978Minolta RF Rokkor 250mm f5.6

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Bild 12: Linsenschnitt Minolta RF Rokkor-X 250mm f/5.6 – Quelle: Datenblatt Minolta

In Beschreibungen werden die Mangin-Spiegel of als „Innovativer Schritt“ an sich hervorgehoben – was ja, wenn man von katadioptrischen Dialyt (von 1814!) ausgeht, nicht richtig ist. Auch ist die Bezeichnung eines „Rumak“, die ich schon gelesen habe, nicht wirklich zutreffend: Rumak würde einen Maksutov-Typen bezeichnen, der – nach Rutten als Rutten-Maksutov benannt – nicht den verspiegelten Fleck auf der Rückseite des Meniskus als Sekundärspiegel nutzt, sondern einen auf ein Podest auf dem Meniskus montierten Cassegrain-Sekundärspiegel. Aber diese Optik ist überhaupt kein Maksutov-Typ.

Diese Optik hat einfach ein hervorragendes Brachymedial-Design – insbesondere unter Berücksichtigung der kurzen Brennweite und extrem kurzen Baulänge von 58mm (ohne Gegenlichtblende).

Wie bei allen CATs ist die Benutzung der Gegenlichtblende dringend empfohlen!

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Bild 13: Minolta RFx Rokkor 250mm f/5.6 (ohne Gegenlichtblende) – Quelle: fotosaurier

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Bild 14: Größenvergleich RF Rokkor zu lichtstarkem Normalobjektiv (Olympus OM 50mm f/1.2 – das ist aber das kompakteste unter den f/1.2-Normalobjektiven. Mein heutiges Sony GM-50mm f/1.4 hat das ungefähr 3- bis 4-fache Volumen des RF Rockor …) – Quelle: fotosaurier

Das RF-Rokkor 250mm f/5.6 eröffnete damit Ende der 1970er Jahre noch einmal ein neues Brennweiten-Segment für katadioptrische Objektive mit einem wirklich großen Wurf in jeder Hinsicht – optisch wie geometrisch! Vielleicht lag es auch in der Luft? – umgehend tummelten sich in diesem Segment die Fremdobjektiv-Hersteller („Third-Party“) aber interessanterweise folgte keiner der großen Kamerahersteller Minolta in dieses Segment (meines Wissens …). Ich halte den Brennweitenbereich (250-350) für sehr sinnvoll, da  der „Durchschnitts-Fotoamateur“ mit dem Mmanuell-Fokussieren von 500er-Objektiven schon mal leicht überfordert ist – siehe meine Bemerkungen am Ende des Artikels.

Die Brennweite 250mm hat sich dabei nur einer der Fremdobjektivhersteller mal „zugetraut“. Vertrieben wurde das Produkt wohl nur über Handelsmarken – in Deutschland als „Berolina 250mm f/5.6“ bekannt, anderswo auch unter „Focal“ etc. Mir ist nicht bekannt, wer da der Konstrukteur bzw. Hersteller war. Die optische Qualität ist eher bescheiden und die Optik ist auch wesentlich größer als das RF Rokkor (fast so lang wie das Olympus Reflex 500mm f/8).

Die anderen Optiken lagen alle im Bereich von 300mm (f/4.5 bis f/6.3) oder 350mm f/5.6 (Tamron – sehr gute Optik!) – dabei war sogar ein russischer Maksutov-Typ (Rubinar) und auch Astro-Hersteller wie Celestron haben das probiert. Auch die Handelsmarke Spiratone war hier wieder dabei (viel gelobt!).

1978/79Celestron (Schmidt-Cass.) 750 f/6.3 und Questar (MAK) 700mm f/8

Dies sind Versuche, aus dem Astro-Geräte-Segment heraus reine Foto-Teleobjektive anzubieten (was ja mit dem russischen MTO früher schon mal sehr gut gelungen war – bis heute!).

Celestron  (1978) war das einzige reinrassige Schmidt-Cassegrain-Objektiv, das an den Foto-Markt gebracht wurde. Es verschwand ab 1986 wieder.

Das Questar-Gerät (1979) war als „lichtstarker Maksutov-Typ“ auch nicht lange am Markt.

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Bild 15: CAT-Teleobjektiv „Celestron 700“ 700mm f/8 – Quelle: fotosaurier

Qualitativ hochwertig und hervorragend gebaut – aber der Foto-Markt funktioniert eben anders als die „Astro-Nische“.

1982 – Olympus OM Zuiko Reflex 500mm f/8

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Bild 16: Das kompakte Olympus Zuiko Reflex 500mm f/8 an der „zierlichen“ OM4Ti (Gegenlichtblende eingeschoben) – Quelle: fotosaurier

Ich hebe dieses 500er CAT besonders hervor, weil es praktisch keine Fehler hat – außer dem Fehlen des Stativanschlusses, der allerdings dem Olympus-Konzept widersprochen hätte! Sein auffälligster Vorteil ist der hervorragende Bildkontrast, der das (sehr feinfühlige!) Fokussieren leicht macht – selbst ohne Fokusvergrößerung an der digitalen Systemkamera. Das Bild „springt“ geradezu in die Schärfezone. In mittleren Entfernungen ist die Bildstruktur („Rendering“) – auch des Hintergrundes! – sehr schön. Auch die ausziehbare Gegenlichtblende ist sehr praxisgerecht.

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Bild 17: Beispiel des schönen Renderings beim Olympus OM Reflex Zuiko 500 f/8 – Quelle: fotosaurier

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Bild 18: Linsenschnitt Olympus OM Reflex Zuiko 500mm f/8 (Lichteintritt von rechts! – Gegenlichtblende eingeschoben) – Quelle: Datenblatt Olympus

Zusammen mit dem Minolta AF Reflex 500 und dem fast 20 Jahre später erschienenen Mirotar 500mm f/8 ist es das beste 500er-CAT das ich persönlich und praktisch kenne. Beide Spiegel sind Mangin-Spiegel. Das Auffälligste ist, dass hier ALLE optischen Elemente in nur zwei Gruppen um die beiden Spiegel zusammengafasst sind! Es ist das CAT mit der geringsten Zahl von Glas-Luft-Flächen. Ich vermute, dass dies ein Teil des Geheimnisses des hervorragenden Bildkontrastes ist.

Bei meinen jüngsten Messungen mit einer Nyquist-Frequenz des Sensors von 3.168 LP/BH messe ich beim Zuiko-Reflex ca. 1.500 LP/BH (entsprechend 125 Linien/mm) in der Bildmitte – in der äußersten Ecke bei ca. 860 LP/BH. Ich gebe die Auflösungswerte für 30% Kontrast an (wie meistens üblich …) Für die damalige analoge Fotografie waren das Werte, die noch über der praktischen Filmauflösung lagen (zumal mit ISO 400-Filmen – oder nochhöheren ISO-Werten!).

Deutlich kompakter als diese Optik ist meines Wissens nur das Tokina 500mm f/8 – aber das spielt in der optischen Qualität eine Liga darunter. Auch das Tamron 500mm f/8 ist etwas kürzer – man muss aber eine Gegenlichtblende aufschrauben, die fast so lang ist wie das Objektiv selbst!

1982/83Vivitar Series 1 450mm f4.5

Hier ist die Datierung ganz sicher:  Oktober 1982 wurde das Objektiv auf der Photokina in Köln vorgestellt. Ab 1983 wurde es meines Wissens ein Jahr lang gefertigt. Es gibt dazu auch noch einen 2-fach-Telekonverter, der speziell für die Optik gerechnet ist und direkt am T2-Gewinde angeschlossen wird.

Diese Optik hat nichts mit den früher gelieferten Vivitar Series 1 „Solid Cat“ zu tun!(Das war vereinzelt angenommen worden …)

Dies ist die wohl (bisher) exotischste katadioptrische Foto-Optik, die es tatsächlich an den Markt geschafft hat! – Eindeutig ein Fall für  die Rubrik „My Crazy Lenses“ – demnächst hier in diesem Blog

Das Design stammt von der Optik-Designfirma OPCON Associates, die der ehemalige Perkin-Elmer Mitarbeiter Ellis Betensky 1969 mit zwei anderen Partnern (Melvin Kreitzer und Jacob Moskovich) 1969 gegründet hatte – und die bis heute existiert (seit 1996 ohne Betensky).

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Bild 19: Vivitar Series 1 450mm f4.5 (Länge 150mm – ohne die Gegenlichtblende) an der Olympus OM – Quelle: fotosaurier

Nach intensiver Suche habe ich schließlich das Patent für dieses katadioptrische Objektiv gefunden: US-Patent 4523816 angemeldet 1983 für Vivitar. Anders als oft zu lesen, ist als Erfinder Melvin Kreitzer eingetragen und nicht nicht Ellis Betensky. Die Bilder „Fig.3 und Fig.4“ sind durch klicken auf „Full Pages“  (am linken Rand) einzusehen.

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Bild 20: Grobe Linsenschnitt-Skizze aus dem US-Patent 4523816 für das Vivitar Series 1 450mm f/4.5 – entspricht sicher nicht in allen details dem endgültig hergestellten Objektiv – es fehlt z.B. die nach vorne abschließende dünne Planglasscheibe (s. FIG-4) – Quelle: US-Patent 4523816

Der EXOT besitzt vier höchst innovative Besonderheiten:

a – Der (sehr dicke!) Front-Korrektor L1 besteht laut Spezifikations-Claims aus PMMA-Kunststoff („Acryl-Glas“).

b – Der Korrektor L1 hat auf der Vorderseite eine asphärische Fläche! … also eine Art „verkappte-Schmidt-Platte“?

c – Das System besitzt eine Innenfokussierung durch Verschiebung der Korrektor-Linsengruppe G2. Dabei ändert sich die Brennweite des Objektivs in Naheinstellung.

d – das vordere Kunststoff-Korrektorelement L1 ist an der Objektiv-Vorderseite durch eine dünne planparallele Glas-Scheibe geschützt (fehlt in Fig.3 – angedeutet nur in Fig.4 des Patentes).

Weitere Informationen zu diesem Objektiv im Artikel in der Reihe „My Crazy Lensesdemnächst.

1989Minolta AF Reflex 500mm f/8

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Bild 21: Minolta AF Reflex 500 an der Sony A7RIV (mit Gegenlichtblende) – Quelle: fotosaurier

Minolta AF 500f8

Bild 22: Minolta Autofocus 500mm f/8 – Quelle Minolta Objektiv-Spezifikation

Minolta hat damit – 4 Jahre nach der Einführung der AF-SLR als erster weltweit und bis heute einziger Hersteller – etwas gemacht, was eigentlich als „unmöglich“ galt: Funktion eines zuverlässigen Autofokus bei Blende 8!  Ich hatte das Objektiv an der Dynax 7D und ich benutze es bis heute an der Sony A7RIV (mit Adapter LAEA4)  – das funktioniert hervorragend und sehr schnell auch noch bei schwachem Licht! Das Objektiv wurde auch lange Zeit noch mit dem Sony A-Mount ausgeliefert und ist in anscheinend fast beliebiger Menge und günstig am japanischen Gebrauchtmarkt zu erhalten – in Deutschland eher selten und viel teurer als in Japan!). Es ist auch eine meiner „crazy lenses„. (Bericht folgt in einigen Wochen!)

Der Aufbau benutzt zwei Mangin-Spiegel und ähnelt dem Design des Minolta RF 250mm f/5.6. In der Bildqualität spielt es absolut in der Oberliga – wegen der grundsätzlichen  Fokussier-Schwierigkeiten mit den manuell zu fokussierenden CAT-Objektiven ist der Autofokus für sich in der Praxis ein großer qualitativer Nutzen!

Ich halte es – zusammen mit dem RF Rokkor 250mm f/5.6 – für das unter heutigen Bedingungen an D-SLR und Spiegelloser Systemkamera nützlichste historische CAT – auch frei Hand einsetzbar für „normale Alltagsfotografie“. Die Klasse der manuell fokussierbaren 500er CATs ist sonst doch schon etwas für das Staiv!

1997Zeiss Mirotar (für Contax c/y) 500mm f8

Dies ist das letzte relevante 500er CAT (eines Originalherstellers), das auf den Markt kam – und es ist eines der Besten, das Zeiss nun als „Spätgebärende“ herausbrachte. Allerdings kann man den MFT-Kurven bei Marco Cavina entnehmen, dass es nicht an das überragende Referenzobjektiv 500mm f/4.5 heran reicht. (Ich finde: das ist keine Schande – ca. 800 Gramm treten gegen fast 4 kg an …)

Mirotar 500mm f8

Bild 23: Zeiss Mirotar 500mm f/8 von 1997 – Quelle: Zeiss Datenblatt

Dieses Objektiv hat nun alle Merkmale der „modernen“ CAT-Bauweise: Mangin-Spiegel und nicht durchbohrter Hauptspiegel. Es ist allerdings kein Maksutov-Typ mehr sondern eine Hamilton-Bauweise mit ausgeklügelten Sub-Apertur-Korrektoren. Der Mangin-Primärspiegel ist ungewöhnlich dick! Zusätzlich zu einer ausziehbaren Sonnenblende besaß das Objektiv einen sehr schlank gebauten drehbaren Stativanschluss – es war also in jeder Hinsicht  perfekt.

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Bild 24: Zeiss MIROTAR 500mm f/8 – Quelle: fotosaurier

Anfang der 2000er Jahre erschienen plötzlich viele nagelneue Mirotar-500mm f/8-Objektive zum Preis von 500 EUR im Angebot (unter halbem Listenpreis)! Es ging das Gerücht, dass ein ganzer Container mit diesen Objektiven geraubt worden sei – danach wäre das alles Hehlerware gewesen … Vielleicht hatte aber auch Zeiss nur wieder ein größeres Los vorweg gefertigt und versuchte die Ware rechtzeitig vor der Einstellung der Kyocera-Contax-SLR (2005) los zu werden – es fand also ein radikaler Abverkauf statt? Ich weiß nicht, was wirklich der Grund war – aber ich habe es gekauft. Im Vergleich zum Olympus-CAT habe ich damals festgestellt, dass beide Objektive gleichwertig an der Spitze des Wettbewerber-Feldes liegen (seinerzeit mit Vergleich auf Analog-Film festgestellt). Ich habe dann das Zuiko-CAT behalten, da es kompakter und leichter war. Bei einem Vergleich am aktuellen 63 MP-Digital-Sensor könnte sich heute allerdings herausstellen, dass eines der Objektive doch dem anderen überlegen ist, da unsere Vergleiche auf Analog-Film einen praktischen Grenzwert von ca. 100 Linien/mm besaßen – entsprechend 1.200 Linienpaare/Bildhöhe. Wie schon oben angemerkt liegt das Olympus-CAT am digitalen Sensor bei 1.500 LP/BH.

In der Zeit nach dem Jahr 2.000:

Nachdem Sony als letzter Anbieter das AF Reflex 500 (original Ex-Minolta!) eingestellt hat, gibt es meines Wissens kein CAT-Objektiv eines Original-Herstellers mehr am Markt.

Einige Fremdobjektiv-Hersteller (auch neuere wie Samyang) haben sehr preiswerte CAT-Objektive im Programm. Die weitaus meisten CATs, die heute herum geistern, werden unter Handelsmarken vertrieben. Man sollte von denen nicht zu viel erwarten. Darunter sind auch solche, die schon in den 1980/90er Jahren exakt so geliefert wurden – erkennbar z.B. an der identischen Ausführung der auffälligen Gummierung des Fokussier-Rings.

Gerade vor wenigen Wochen hat allerdings einer der renommierten Fremdobjektiv-Hersteller (Tokina) wieder ein neues CAT mit 400mm f/8 und T2-Anschluß neu auf den Markt gebracht.

Ist das der Beginn einer Renaissance?

Man wird sehen …

Warum sind die katadioptrischen Teleobjektive (CAT) nach der ersten großen „Welle“ (1965-1990) fast wieder verschwunden?

Auffallend ist, dass extrem viele der im Netz angebotenen CATs in ganz hervorragendem Zustand – oft neuwertig – sind. Das könnte bedeuten, dass sie kaum benutzt wurden. Das ist auch meine persönliche Meinung. Eine Ausnahme bilden überdurchschnittlich oft die „Russentonnen“.

a) Im professionellen Bereich wurden die frühen CATs wohl hauptsächlich wegen der farbreinen Abbildung eingesetzt. Dieser Vorteil fiel mit dem Erscheinen der Tele-Objektive mit ED-Glas ab ca. 1982 weg. Allerdings wurde dieses „Versprechen“ der Abwesenheit von Farbfehlern tatsächlich nur von den Spitzen-CATs am Markt eingelöst. Möglicherweise blieb noch der Grund eines federleichten, kompakten „Immer-dabei-Lang-Brennweiters“ erhalten, der für den Fall des Falles hinten in der Reportage-Tasche schlummern durfte.

b) Das manuelle Fokussieren mit den CATs geringer Öffnungsverhältnisse (f/5.6 bis f/11 !) war selbst für erfahrene Manuell-Fokussierer sehr schwierig. Die Hilfsmittel wie Schnittbildindikator oder Mikroprismenring fielen ab f/8 aus – es blieb meist nur das Fokussieren auf dem Mattglasbereich übrig! Bei professionellen Kameras gab es teilweise wechselbare Einstellscheiben für den SLR-Sucher. Aber ehrlich: wer legt sich zwischendrin ins Gras und fummelt eine Einstellscheibe raus und wieder rein …?

Es ist auch festzuhalten, dass mit sehr wenigen Ausnahmen gerade an preislich günstigen CATs das präzise Fokussieren – für das man eigentlich eine Mikrometer-Schraube gebraucht hätte! – sehr schlecht und grob gelöst war. Das dauert dann, wenn man immer wieder vorbei gedreht hatte … oder die Schärfeergebnisse waren eben unterirdisch!

c) Alle CATs waren mehr oder weniger Streulichtempfindlich, wenn man gegen die Sonne fotografierte. Wenn man den Effekt eines großflächigen „Flares“ nicht bildnerisch nutzen will, kann ich tatsächlich nur davon abraten.

d) Die Verschlusszeit: Hinzu kam der Punkt, dass man an Analog-Kameras mit typischerweise maximal ISO400-Film für ein 500mm-Objektiv doch eine tausendstel Sekunde für ein scharfes Bild gebraucht hätte – also gerade die kürzeste Verschlußzeit, die typischerweise in den 1960er Jahren zur Verfügung stand! Die Stative, die wir als Amateure damals hatten, waren auch für 500er Teles nicht wirklich geeignet.

Da die Dinger so kurz bauen, unterschätzt man unbewusst die Brennweiten-Wirkung auf das Verwackeln. Darüberhinaus hat das „Handzittern“ mit dem kurzen Griff ein großes Übersetzungverhältnis.

Im Grunde waren die weitaus meisten Amateure, die sich erstmals ein so langbrennweitiges Objektiv zulegten, unerfahren in der Nutzung und manuellen Fokussierung solcher wirklich langbrennweitiger Objektive. Mit Übung und Zähigkeit kann man da viel erreichen – aber das bedeutet nur eines: fotografieren – fotografieren – fotografieren!

e) Nun war da auch noch die Situation des großen Zeitverzuges zwischen Auslösen der Kamera und dem Vorliegen der Ergebnisse mit entwickeltem Film/Dias und Vergrößerungen – mit denen eventuell die Enttäuschung aufkam, dass die Ergebnisse einfach nicht scharf oder doch verwackelt sind. Da landete dann vermutlich ein großer Teil dieser zunächst attraktiv erschienenen Objektive in Schubladen und Vitrinen – bis heute: und warteten auf den Weckruf durch die hoch auflösenden, bis ISO3200 nutzbaren digitalen Systemkameras, die binnen Sekunden ein Feedback/Bildergebnis liefern?

Werden die Karten für die CATs mit den modernen Systemkameras heute neu gemischt?

Ich halte das durchaus für möglich, dass die wahre Zeit für solche Objektiv-Designs nun erst begonnen hat:

Mit der praktisch gut nutzbaren ISO-Empfindlichkeit bis zu 3.200 oder 6.400 und elektronischen Verschlüssen bis 1/40.000 Sekunde gibt es eine dramatisch verbesserte Ausgangslage.

Allerdings muss man sich immer bewusst machen, dass trotz der tollen Fokussierhilfen an digitalen Kameras das manuell Fokussieren dennoch eine echte Herausforderung bleibt – zumal der  jüngere Normalfotograf keine Routine im manuellen Fokussieren besitzen dürfte! Wenn man bei 500mm Brennweite und 11-facher Fokussiervergrößerung versucht zu fokussieren tanzt das Bild im Sucher wie beim Blick durch ein Objektiv mit 5,5 Meter Brennweite – mit etwas Pech verliert man sogar sein Ziel aus dem Auge … Da hilft nur ein Stativ!

Ein Autofokus wäre hier eine durchschlagende Verbesserung der Nutzbarkeit.

Anscheinend testet auch schon ein renommierter Fremdobjektivhersteller (Tokina) gerade den Markt mit einem nagelneuen CAT mit 400mm f/8. Aber auch manuell zu fokussieren …

Aufhorchen lässt dabei auch die jüngste Ankündigung der Firma Canon, nicht mit CATs aber mit neuen DO-Tele-Objektiven von 600mmund 800 mm mit Öffnungsverhältnissen von f/11 neu entwickelt für die Sensoren der spiegellosen Systemkameras mit AF und IS im Objektiv und ebenfalls sehr kurz bauend bzw. zum Transport zusammenschiebbar. („DO“ bedeutet „Diffraktions-Optik“ – das sind dünne, leichte Beugungs-Elemente, die Linsen ersetzen können. Canon testet diese Technik seit Jahrzehnten bei langen, lichtstarken Teleobjektiven.)

Bei der Benutzung von historischen CAT-Objektiven an den modernen Digital-Systemkameras muss man sich klar machen, dass die Optiken nicht für die Benutzung am digitalen Sensor berechnet wurden und nicht jedes CAT mit jedem Sensor harmoniert. Da kann es auch vorkommen, dass eine Optik an einer Sony Probleme zeigt, an einer Fujifilm- oder Olympus-Kamera aber nicht. Typische Probleme sind helle „Halos“ in der Bildmitte, niedrige Auflösung am Bildrand oder generell flauer Kontrast.

Viel Spaß beim Ausprobieren – ich werde in den kommenden Wochen über einige CAT-Sensor-Kombinationen in meine Rubrik „My Crazy Lenses“ berichten.

Herbert Börger, Berlin, 8. November 2020

 

 

Katadioptrische Foto-Objektive und ihre „Vorfahren“, die Spiegelteleskope – Teil I

Spricht man heute in der praktischen Fotografie von „Spiegelobjektiven“ (Wechselobjektive an Systemkameras) dann sind es grundsätzlich sogenannte „katadioptrische“ Systeme, die zur Bilderzeugung nicht nur Spiegel sondern zusätzlich auch Linsen verwenden.

Derartige Abbildungssysteme gehen ursprünglich zurück auf das Spiegelfernrohr (reflecting telescope), das der Physiker Issac Newton 1668 erfand – das Newton-Teleskop. Er baute seinerzeit Geräte meines Wissens bis zu 6 Zoll (153 mm) Spiegeldurchmesser. Vom über 350 Jahre zurückliegenden Newton-Spiegelteleskop zu den katadioptrischen Fotoobjektiven der vergangenen 70 Jahre bis heute war es allerdings ein langer Weg.

Hier möchte ich für Fotoamateure, die die Entwicklung der astronomischen Fernrohre bisher nicht  so sehr im Blick hatten, eine knappe Übersicht über diese optischen Systeme geben – sowie im Teil II dann die daraus abgeleiteten Foto-Objektive beschreiben.

In der Reihe „My Crazy Lenses“ werde ich danach einige besondere katadioptrische Foto-Objektive aus meinem Fundus detailliert vorstellen.

Vorbemerkung: Mit Ausnahme einer einzigen Sonder-Bauform (s. „Schiefspiegler“) liegt bei allen Spiegelteleskopen (und katadioptrischen Systemen) der primäre Fokus (d.h. das Bild) vor dem Hauptspiegel – mitten im einfallenden Strahlenbündel. Da dort zwangsläufig die Filmkassette oder der sekundäre Fangspiegel sitzen müssen, wird daher das einfallende Strahlenbündel in der Mitte abgeschattet (man nennt das „Obstruktion„, d.h. Blockade). Das genutzte einfallende Strahlenbündel (Apertur) hat einen ringförmigen Querschnitt. Dieser Umstand verschlechtert theoretisch grundsätzlich die Auflösung des Reflektors gegenüber einem (perfekten – also apochromatischen) Refraktor (Linsenfernrohr) mit gleichem Durchmesser.

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Bild 1: Vorderansicht eines Spiegel-Linsen-Objektivs mit der typischen ringförmigen Einfallsöffnung für die Lichtstrahlen – Im Zentrum ist der Sekundärspiegel auf der Rückseite der Frontlinse befestigt (Obstruktion). (Quelle: fotosaurier)

Teil I – Astronomische Fernrohe.

Definition: Als „Optik“ bezeichnen wir hier das gesamte optische System, das ein Bild erzeugt, das man mittels Film, Videcon oder Digital-Sensor registrieren/aufzeichen kann oder auch visuell durch ein Okular betrachten kann. Bei einem „Fernrohr“ gehört das Okular, mit dem man das Bild im Fokus visuell betrachtet, NICHT zur bildgebenden Fernrohr-Optik.

Bildrechte: Alle Bilder stehen unter Copyright. Die Lizenzrechte sind in der Bildunterschrift angegeben.

Vorteile der Spiegel-Optik:

a. Die vom Spiegel erzeugten Bilder sind prinzipbedingt ohne Farbfehler (Chromatische Aberration), da die optischen Reflexionsgesetze für alle Lichtwellenlängen gleich sind – während es bei Linsen eine wellenlängenabhängige Dispersion gibt, die aufwändig „bekämpft“ werden muss

b. Die Spiegeloptiken sind billiger herstellbar als achromatische oder erst recht apochromatische Linsen-Objektive. Insbesondere für Amateurastronomen ist dies selbstverständlich der ausschlaggebende Grund – man kann ein Spiegelteseskop für ein Taschengeld erwerben oder gar selbst herstellen. Gute Linsenfernrohre mit vergleichbaren Aperturdaten gehen dagegen richtig ins Geld und sind sehr viel schwieriger herstellbar!

c. Große Öffnungdurchmesser (mehrere Meter Öffnungs-Durchmesser!) lassen sich technisch  ausschließlich mit Spiegeln realisieren. (Meines Wissens ist nach dem großen Hale-Refraktor mit 102 cm Apertur am Yerkes-Observatorium in USA von 1897 kein größeres Linsentelsekop mehr gebaut worden.)

d. Da in allen Spiegelsystemen außer dem Newton-Fernrohr und seinen Varianten (besonders auch der Schmidt-Kamera) der Strahlengang „gefaltet“ wird – also die Lichtstrahlen den Weg zwischen zwei Spiegeln insgesamt zwei oder drei mal durchlaufen ehe sie zum Fokus gelangen! – sind diese Geräte meist sehr viel kürzer gebaut als Linsenfernrohre („Refraktoren“).

Nachteile der Spiegel-Optik:

a. Spiegelobjektive haben einen festen Blendenwert – sie können nicht „abgeblendet“ werden. Wer sich entschieden hat, mit einem solchen Objektiv zu arbeiten, weiß das natürlich vorab. Dennoch erfordert es eine Anpassung der Arbeitsweise. Man muss eben auch wissen, dass man mit einer gewissen Schärfentiefe zurecht kommen muss und diese nicht mehr beeinflussen kann. Ich halte das aber nicht für gravierend: da die Spiegelobjektive sich ja nicht so sehr durch hohe Lichtstärke hervortun (f/4 ist ein Lichtriese in diesem Bereich, f/5,6-f/8 der Standard!) und die Brennweite nach kurzen Belichtungszeiten verlangt, ist „Abblenden“ wohl eher der seltenerer Wunsch. Wenn das Licht reduziert werden soll, werden für katadioptrischen Objektive ja meist die ND-Filter im Strahlengang angeboten. Mit den Digitalkameras von heute haben wir außerdem nun den Vorteil, dass wir den ISO-Wert in sehr weitem Bereich variieren können, um die Belichtungssteuerung zu unterstützen (sogar ohne nennenswerte Bilddefinition zu verlieren).

Generell wäre aus Sicht eines astronomischen Instrumentes das Reduzieren des einfallenden Strahlenbündeldurchmessers kontraproduktiv, da damit die erzielbare Auflösung sinken würde. Deshalb ist der Weg über Neutraldichte Filter der physikalisch sinnvolle.

b. Der größte Nachteil liegt in der „Obstruktion“ im Zentrum der  Öffnung, wie oben in der Vorbemerkung beschrieben. Das Spiegelobjektiv hat dadurch bedingt bei gleichem Öffnungsdurchmesser theoretisch immer eine geringere Auflösung im Fokus als ein Refraktor bzw. ein Linsen-Teleobjektiv mit höchster apochromatischer Korrektur! Auch die Kontrastwiedergabe ist dadurch reduziert. Dieser Nachteil wird ggf. dadurch kompensiert, dass das kostengünstigere (und sehr kurz bauende) Spiegelobjektiv mit entsprechend größerem Öffnungsdurchmesser verwendet wird, wodurch der Auflösungsverlust kompensiert werden kann. Das gilt nach dem oben Beschriebenen natürlich nicht für die Schiefspiegler.

c. Bei terrestrischem Einsatz als Teleobjektiv für normale fotografische Zwecke, entsteht ein weiterer Nachteil aus der Obstruktion. Wegen der ringförmigen Eintrittsöffnung für die Lichtstrahlen, entstehen außerhalb der Fokusebene nicht die bekannten Unschärfebilder eines Lichtpunktes in Form einer Kreisscheibe, die in ihrer Fläche weitgehend gleichmäßig hell ist, sondern ringförmige Unschärfebilder. Bei Anwendungen in der Astronomie tritt dieses Phänomen nicht auf, da alle Objekte – gleich ob sie 384.400 km oder 1 Millionen Lichtjahre entfernt sind  – praktisch „unendlich“ weit entfernt sind! Bei der Benutzung als Teleobjektiv bei normalen fotografischen Anwendungen sind aber selten alle Bildpunkte in einer Ebene, sondern es gibt auch Bereiche vor und hinter der Schärfeebene. In diesen treten leuchtende Punkte als die beschriebenen Ringe auf – normale Objekte bekommen als unscharfes Bild eine unruhige bzw. abstrakte Struktur. So wird ein Zweig im Hintergrund nicht einfach als ein „unscharfes Bild des Zweiges“ wiedergegeben, sondern er wird in zwei unscharfe Bilder aufgespalten, die sich überlagern. Das alles ist nicht immer bildnerisch schön.

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Bild 2: Außerfokale „Unschärfe-Ringe“ (von Reflexen – wie hier im Bild – und Lichtquellen) im Spiegel-Linsenobjektiv (Olympus OM 500mm f8). Über Ästhetik kann man streiten … Warum die Ringe in den Eckenbereichen nicht mehr geschlossen sind, werde ich im Teil II erläutern. Quelle: fotosaurier

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Bild 3: „Unruhiger“ Hintergrund im Bild mit dem katadioptrischen Objektiv (Minolta RF 250mm f5.6), verursacht durch die „Obstruktion“ – Quelle: fotosaurier

Rubrik I. Spiegel-Optiken für die Astronomie

Die reinen Spiegel-Optiken ohne zusätzliche Korrektur-Linsen sind praktisch fast ausschließlich auf den Einsatz bei (meist astronomischen) Fernrohren beschränkt. Ich werde sie hier dennoch ausführlich behandeln, weil sie sozusagen die „Mütter der gesamten Geräteklasse“ sind. Interessant ist der Umstand, dass innerhalb von nur vier Jahren um 1670 herum alle drei grundlegenden Spiegeloptik-Typen erfunden wurden – Typ 3a ist dabei nur eine (sehr wesentliche!) Verbesserung des Grundtyps 3.

Typ 1: Der Newton-Reflektor:

Der von Isaac Newton 1668 erfundene und realisierte einfache bildgebende Hohlspiegel (aus Metall oder verspiegeltem Glas … oder aus flüssigem Quecksilber) wurde zunächst ausschließlich für visuelle Beobachtungen eingesetzt. Der Fokuspunkt liegt am Lichteintritt in das Teleskoprohr – mitten im einfallenden Strahlenbündel. Um das Bild zugänglich für Beobachtungen zu machen, wird ein planer Fangspiegel unter 45° vor dem Primärfokus im Strahlengang platziert, sodass der Strahlengang unter 90° seitlich aus dem Fernrohrtubus herausgeführt wird. Der Fangspiegel erzeugt die Obstruktion – also die Abschattung in der mitte des Lichtbündels. Beim Newton-Teleskop ist die Obstruktion generell am geringsten von allen Spiegelfernrohr-Typen.

Bild 4: Newton Teleskop, Strahlengang. Dies ist – bis heute –  das beliebteste (und kostengünstigste) astronomische Fernrohr für Amateur-Astronomen. Den Hauptspiegel kann ein Amateur sogar selbst herstellen. (Qelle: Wikipedia – Autor Krishnavedala, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Mit Auftreten der Fotografie, wurde später oft anstelle eines 45°-Fangspiegels genau in der Fokusebene eine Filmkasette (für Planfilm oder Glasplatten) im Fernrohrtubus positioniert. Ein schneller Verschluss ist dazu meist nicht notwendig, da die Belichtungszeiten eher sehr lang sind! Das ergibt eine Newton-Astrokamera, die mit einem Leitfernrohr geführt werden muß.

Der ideale Newton-Reflektor besitzt einen parabolischen Hauptspiegel. Präzise geschliffen liefert er punktförmige Sternbilder in der Bildmitte. Die Bildfläche ist gekrümmt. Bei größerem Bildfeld erhebliche Koma. Es werden deswegen Okulare speziell für die Nutzung am Newton hergestellt, die Koma korrigieren.

Newton verwendete noch einen sphärischen Hauptspiegel, der allerdings das gesammelte Licht nicht in einem Punkt, sondern auf eine „Katakaustik“ verteilt als leicht unscharfe Scheibe darstellt. Auch die kleinen billigen Spiegelfernrohre in unserem Handel heute – mit Spiegeldurchmessern von 3 Zoll bis 4,5 Zoll – haben meist nur sphärisch geschliffene Spiegel. Bereits Gregory soll auf die Vorzüge des parabolischen Spiegels hingewiesen haben, der aber erst ab 1721 nachweislich von John Hadley mit den dafür benötigten Schleif-Polier-Methoden eingeführt wurde. Schnell entstanden dann große Instrumente mit über 1 m Durchmesser (W. Herschel). So hat tatsächlich das Spiegelteleskop nach Newton und Hadley der astronomischen Forschung die größten Fortschritte im 18./20. Jahrhundert ermöglicht.

Bild 4a: Hooker-Teleskop Mt.Wilson (Newton mit 2,5 Meter Spiegeldurchmesser) – von 1917 – 1949 das größte Teleskop der Welt – wie es mit der Entwicklung der Großteleskope weiter ging kann man hier lesen.

Der Parabolspiegel hat eine praktisch perfekte Abbildung in der Bildmitte. (Eine Begrenzung der Auflösung ist bei erdgestützten Instrumenten grundsätzlich der Luftbewegung/den Luftschlieren,  genannt „Seeing“, zuzuschreiben – weniger der optischen Qualität des Spiegels.) Allerdings ist der Newton für größere Bildfelder nur eingeschränkt nutzbar, da außeraxial Astigmatismus und vor allem Koma auftreten.

Mit Hadleys Innovation war der Weg des Newton-Reflektors aber noch längst nicht zuende:

Allerdings dauerte es dann noch einmal über 200 Jahre (!) bis das Newton-Teleskop mit einer optischen Innovation aufgewertet wurde: mit der Erfindung der asphärischen Korrektorplatte durch Bernhard Schmidt 1930 – die Schmidt-Platte. Die daraus resultierende Schmidt-Kamera wurde sofort zum bedeutendsten Instrument für die Durchmusterung des Sterenenhimmels weltweit. Das fehlerfreie Bildfeld ist dramatisch erweitert – der Spiegel darf sogar sphärisch bleiben! Die Schmidt’sche Innovation kann man gar nicht hoch genug einschätzen – und sie wurde erbracht von einem einzelnen Selfmade-Spiegelschleifer (mit einem abgebrochenen Studium …) – und nicht durch die systematische Forschung in großen Optik-Firmen wie Zeiss! Haarstäubend darüberhinaus: Schmidt erfand nicht nur die Form der asphärischen Platte, sondern das elegante Herstellverfahren gleichzeitig!

Bild 5: Schmidt-Newton-Teleskop, Strahlengang (Quelle: Wikipedia – Autor: Tamasflex, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Als Hauptspiegel kann ein Kugelspiegel verwendet werden.

Allerdings ist das dann kein reines Spiegelobjektiv mehr – und gehört in die Rubrik der katadioptrischen Systeme (s.u.).

Typ 2: Gregory-Teleskop:

1670 – zwei Jahre nach Newtons Erfindung – schlug der schottische Mathematiker James Gregory (*1638) eine „geradsichtige“ Spigeloptik aus zwei Hohlspiegeln vor:

Bild 6: Gregory-Teleskop, Strahlengang (Quelle: Wikipedia – Autor Krishnavedala, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Durch den Sekundärspiegel wird der Sekundärfokus durch eine Öffnung im Primärspiegel hinter den Hauptspiegel projiziert. Man blickt in die Richtung des Zieles – und das Bild ist seitenrichtig und aufrecht! Das erste Gerät wurde 1674 prakisch realisiert und bis ca. 1800 wurde diese Gerätebauweise sehr intensiv genutzt.

Nachteile sind: die wesentlich längere Bauweise als z.B. beim Cassegrain und der größere Sekundärspiegel, der die Obstruktion vergrößert.

Der Primär-Hohlspiegel ist parabolisch, der Sekundär-Hohlspiegel – VOR dem Primärfokus gelegen! – ist elliptisch. Primärfokus und Sekundärfokus liegen in den beiden Brennpunkten des Spiegel-Ellipsoids.

Der größte Vorteil des Gregory-Spiegelsystems für ein Fernrohr ist die Zugänglichkeit und Nutzbarkeit des Primärfokus bei eingebautem Sekundärspiegel. Dies führte dazu, dass auch bis in die jüngste Zeit das Gregory-Prinzip immer noch eingesetzt wird, z.B. bei dem wohl derzeit modernsten Spiegelteleskop weltweit: das deshalb auch zu Ehren des Erfinders gleich GREGOR-Teleskop genannte, 2012 in Betrieb genommene Solarteleskop des Kiepenheuer-Instituts für Solarphysik auf den Kanarischen Ineln. Hauptspiegeldurchmesser 1,5 m. Das Instrument ist vollgepackt mit Innovationen und nutzt (mit einem Tertiärspiegel hinter dem Hauptspiegel) die extrem gute simultane Zugänglichkeit zu dem Strahlengang dazu, ohne Umbau und gleichzeitig eine ganze Reihe von Analysengeräten durch ein Teleskop zu füttern. Der Hauptspiegel ist temperiert und besteht aus einer adaptiven Optik, die die störenden Einflüsse der Atmosphäre auf das Licht ausgleichen kann.

Beim großen Radioteleskop in Effelsberg wird das Gregory-Prinzip ebenfalls verwendet.

Newton- und Gregory-Teleskope sind vorrangig auf kurze Brennweiten und hohe Lichtstärken ausgerichtet.

Typ 3: Cassegrain-Teleskop:

Laurent Cassegrain (*1629) stellte das Teleskop 1672 vor.

Es ist ebenfalls geradsichtig und verwendet entsprechend eine zentrale Öffnung im Hauptspiegel, um den Sekundärfokus hinter den Hauptspiegel zu projizieren.

Der Primärspiegel ist wie beim Newton ein parabolischer Konkav-Spiegel. Der zwischen Primärfokus und Hauptspiegel liegende Sekundärspiegel ist ein hyperbolischer Konvex-Spiegel, dessen Brennpunkt im Primärfokus liegt. Dadurch ergibt sich eine sehr lange Brennweite bei sehr kurzer Bauweise!

Bild 7: Cassegrain-Teleskop, Strahlengang. (Qelle: Wikipedia – Autor: Krishnavedala, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0

Cassegrain-Spiegelteleskope sind auf längere Brennweiten bei typisch f/10 und größer ausgerichtet. Gerade wegen der kompakten Länge basiert wohl die große Mehrheit der modernen Spiegelteleskope auf der Bauweise. Das Prinzip erzeugt als reine Spiegeloptik nicht vernachlässigbare optisch Restfehler – besonders bei größeren Bildfeldern. Daher sind heute die meisten eingesetzten Cassegrain-Systeme katadioptrische Systeme, in denen asphärische Korrektoren (Schmidt-Platte) oder Linsengruppen die wichtigsten Fehler korrigieren: Öffnungsfehler, Koma und Bildfeldkrümmung – oder man setzt heute gleich auf den Typ 3a:

Typ 3a: Richey-Chrétien-Cassegrain-Teleskop

Der RC-Cassegrain-Teleskop (abgekürzt) wurde von George Willis Ritchey (*1864) und Henri Chrétien (*1879) Anfang des 20. Jahrhunderts aus dem Cassegrain-Grundtyp entwickelt. Die Schmidt-Platte war zu diesem Zeitpunkt noch nicht bekannt. Ziel war die Eliminierung der optischen Restfehler, die das nutzbare Gesichtsfeld des Cassegrain doch sehr deutlich einschränkten.

Die weitgehende Korrektur der wichtigsten Bildfehler  erfolgte durch die Optimierung der Asphären-Gestalten BEIDER Spiegel (zusammen mit dem Abstand).

Bild 8: Richey-Chrétien-Cassegrain-Teleskop, Strahlengang. (Quelle: Wikipedia – Autor ArtMechanik, http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

(Leider „Chrétien“ im Bild nicht korrekt geschrieben….)

Das Bildfeld des RC-Cassegrain-Systems kann bis zu 3-fach größer sein als das des Standard-Cassegrains.

Dabei blieb die Bildfeldkrümmung bestehen, da sie mit Spiegeln alleine nicht eliminiert werden kann – dazu wurden in der Folge Bildfeldebnungs-Linsensysteme hinter dem Sekundär-Spiegel verwendet – aber diese RC-Systeme gehören dann zu den katadioptrischen Systemen.

Diese Entwicklung war entscheidend für die Zukunft des Cassegrain-Systems: alle bedeutenden Großteleskope sind heute RC-Cassegrains – ebenso das erfolgreiche Hubble-Weltraumteleskop (2,4 m Durchmesser)!

Ein kurzer Exkurs zu den bemerkenswerten Erfinderpersönlichkeiten Ritchey und Chrétien:

Beide Männer waren geniale Optik-Ingenieure – wenn auch mit total unterschiedlichem Hintergrund.

Der Amerikaner Ritchey war ein handwerklich begnadeter Optik-Ingenieur, der in Zusammenarbeit mit dem berühmten Astrophysiker Hale z.B. die beiden großen Spiegelinstrumente für das Mount-Wilson-Observatorium baute (1,5 m und 2,5 m). Nach einem Zerwürfnis mit Hale zog er sich zunächst zurück, wurde aber aufgrund seines Weltruhmes als Instrumentenbauer nach Frankreich gerufen, wo er zusammen mit Chrétien (wohl um 1920 herum sieben Jahre lang) an Cassegrain-Spiegelsystemen arbeitete. Chrétien war seinerseits ein genialer Mathematiker und Optiker auf der wissenschaftlich-mathematischen Seite. Gemeinsam lösten sie die Bildfehler-Probleme des Cassegrain-Teleskops – nachhaltig, wie man heute weiß!

Chrétien war darüber hinaus der Erfinder des Breitbildverfahrens (Anamorphot-Optiken / Cinemaskop – wofür er kurz vor seinem Tod noch einen Technik-Oskar erhielt) und er war der Mentor von Pierre Angénieux! – hier schließt sich für mich ein Kreis: sehen Sie meine Texte zu Leben, Werk und Produkte von Pierre Angénieux.

Nach beiden Männern sind Mondkrater benannt – nach Richey auch ein Marskrater – nach Chrétien ein Asteorid.

Typ 4: Schiefspiegler – englisch als TCT bezeichnet: „Tilted Component Telescope“

Ich habe schon erwähnt, dass für lichtstarke astronomische Instrumente im Amateurbereich vorwiegend Spiegelinstrumente – besonders das Newton Teleskop – eingesetzt werden. Dabei spielt die Herstellbarkeit im Selbstbau eine große Rolle.

Immer wieder haben sich aber engagierte Amateure nicht damit abfinden wollen, dass die Auflösung (auf der Achse!) der Geräte durch die erhebliche Obstruktion (vor allem beim Cassegrain!) stark beeinträchtigt wird.

Schon Wilhelm Herschel hatte im Newton-Teleskop mit einem gekippten Hauptspiegel experimentiert, bei dem das Bild ohne Fangspiegel im Strahlengang seitlich außerhalb des Fernrohrtubus betrachtet werden konnte. Er konnte aber die dabei auftretenden großen Bildfehler nicht überwinden.

Typ 4a: Kutter-Schiefspiegler

Bild  9: Schiefspiegler nach Anton Kutter. (Quelle: Wikipedia – Von User:Eudjinnius – Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2116871)

Typ 4b: Jolo-Schiefspiegler

Bild 10 : Der Jolo-Schiefspiegler – Quelle: Wikipedia – Von Gengeli – Eigenes Werk, Gemeinfrei, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=11277032

Typ 4c: Multi-Schiefspiegler

Multischiefspiegler_EP0964283A1_Wolter Kopie

Bild 11: Multi-Schiefspiegler nach Wolter: Drei Spiegel, wobei der 2. Spiegel 2-mal benutzt wird! – Quelle: EP0964283A1

Viele der Designer von Schiefspieglern sind kundige und erfahrene Amateur-Astronomen, die ihre Geräte selbst bauen. Es darf aber nicht der Eindruck entstehen, dass das Schiefspiegler-Prinzip in der wissenschaftlichen Astronomie keine Rolle spiele: es ist zwar ein „Exot“ aber es wird, wenn das sinnvoll ist – bis heute sogar bei Großteleskopen eingesetzt:

So wurde mit dem „Leviathan“ des 3. Earl of Ross in Irland von 1845 an immerhin die Spiralstrutur ferner Galaxien entdeckt! Bis 1917 war es mit 1,8 m Spiegeldurchmesser das größte je gebaute astronomische Instrument – und ein Schiefpiegler. Das größte – gerade in Betrieb genommene – Sonnenteleskop auf Hawaii (DKIST – Apertur 4 Meter!) ist ein Schiefspiegler – und jetzt natürlich mit adaptiver Optik! Und es wird geplant, am mit 6 Meter Apertur (f/1.5) größten Zenith-Spiegel-Teleskop in Kanada (LZT) eine Schiefspiegler-Option zu installieren um das normalerweise nur 24 Bogenminuten betragende Bildfeld auf +/-23° zu erweitern! Der Spiegel ist ein rotierender Topf, in dem flüssiges Quecksilber einen Parabolspiegel-Fläche bildet.

Bild 12: Der parabolische Newton-6 m-„Spiegel“ aus flüssigem Quecksilber des LZT in Kanada – am Winkel der aufsteigenden Streben sieht man, wie nah der Sensor im Spiegelfokus ist: Öffnungsverhältnis f/1,5 !!! Quelle; Wikipedia – Autor: NASA – Lizenz Gemeinfrei

In diesem Wikipedia-Artikel bekommt man einen Eindruck, dass es da einen großen Zoo von verschiedensten TCT-Lösungsvarianten gibt. Auf dieser Web-Site kann sich informieren, wer an Details der geometrischen Optik interessiert ist.

Zum Schluss die Anmerkung, dass in den 1960/70er Jahren (eine genaue Datierung war mir bisher nicht möglich) einmal tatsächlich versucht wurde, ein reines Spiegelinstrument für normale Fotozwecke als Wechselobjektiv an SLR-Kameras auf den Markt zu bringen:

Es war ein Schiefspiegler mit der Brennweite 500 mm f/8 bzw f/11 (mit einstellbarer Blende und motorischer Scharfeinstellung!), der in  drei unterschiedlichen mechanischen Ausführungen als „Meta Makowsky Katoptaron TSE 1:8/500“ und „Geoma Katoptar TS 8/500 E“ oder „Telespect 500 1:11„angeboten wurde. Hier sieht man Details und Spezifikationen eines der Geräte. Die Geräte gingen wohl alle auf das 1968 erteilte Patent des Erfinders Makowsky zurück.  Tatsächlich war das Gerät in der Lichteinfall-Apertur völlig offen und enthielt nur zwei Spiegel, eine Fokussiereinrichtung und eine Blende. Ich las darüber einen Test, der wenig Begeisterung widerspiegelte. So weit ich weiß war das ein einmaliger und auch gescheiterter Versuch, ein reines Spiegelinstrument für normale Fotozwecke zu lancieren.

Fazit: Reine Spiegelobjektive sind ausschließlich astronomische Instrumente!

Jedenfalls ist mir keines von den oben dargestellten Spiegel-Optik-Typen als „echtes“ (und erfolgreiches) Foto-Objektiv bekannt, obwohl man natürlich damit auch fotografieren kann – und es am Sternenhimmel auch tut.

Will man die typischen Bildfehler wie Koma und Bildfeldkrümmung – insbesondere für große Bildfelder – bekämpfen, dann landet man schnell bei einem katadioptrischen System. Kein 1- oder 2-Spiegelsystem kann gleichzeitig alle Bildfelder und die Bildfeldkrümmung eliminieren. RC-Cassegrains und Schiefspiegler sind vermutlich das Beste, was ausschließlich mit (passiven) Spiegeln erreicht werden kann. Um noch weiter zu kommen, fügt man Linsen-Korrektoren hinzu.

Diese Aussage ist allerdings in den Zeiten der sog. „adaptiven“ Spielgeloptik teilweise überholt, jedenfalls für große Instrumente, bei denen der immense Aufwand der adaptiven und segmentierten Spiegle leistbar ist. Für unser eigentliches Thema – die Foto-Objektive – sind wir derzeit von diesem Thema aber noch sehr-sehr weit entfernt (was nicht so bleiben muss …).

Rubrik II. Katadioptrische Systeme für die Astronomie

Welche Gründe gab es dafür, die Spiegeloptik mit Linsen („Korrektoren“) zu ergänzen?

  1. Kombinationen aus Linsen und Spiegeln entstanden weitgehend mit dem Ziel, das Bildfeld der Fernrohre mit hoher Abbildungsgüte zu vergrößen. Die Abbildungsqualität eines Newton-Teleskops mit parabolischem Spielgel ist auf der Achse perfekt – aber das Bildfeld mit akzeptabler Abbildungsleistung ist nicht größer als 0,25°.
  2. Herstellung hermetisch geschlossener Geräte zum Schutz gegen Staub, Spritzwasser und korrosive Gase, die auf Dauer die Spiegelflächen angreifen und degradieren können.
  3. Mechanische Robustheit generell.

Korrektor-Linsen in Katadioptrischen Instrumenten können

a) die volle Öffnung (Apertur) ausfüllen (Schmidt-Platte oder Maksutov-Meniskus)

b) oder im hinteren Strahlengang auf die schlanker gewordenen Strahlenquerschnitte wirken – dann werden sie „Sub-Apertur-Korrektoren“ genannt

Wir werden später bei den Foto-Objektiven sehen, dass dort meist BEIDE Verfahren gleichzeitig eingesetzt werden, um befriedigende Ergebnisse zu erzielen.

Typ 5: Schmidt-Kamera auf Basis eines sphärischen Spiegels

Bild 13:  Die Apertur der Kamera ist der Durchmesser der Korrektor-Platte links. Der sphärische Spiegel ist stets deutlich größer. Länge ist zweimal die Brennweite. Die Bildebene ist sphärisch gekrümmt. Typisches Öffnungsverhältnis f/2.     Quelle: Wikipedia, Autor: ArtMechanik – http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/

Bild 14: Asphärische Form der Schmidt-Platte – Schnitt entlang des Durchmessers. Die genial-elegante Herstell-Methode fiel auch Bernhard Schmidt ein: die ebene Glasplatte wird mittels Vakuum vorgespannt und in diesem Zustand wird einseitig eine Fläche eingeschliffen und poliert: nach dem Entspannen der Platte ist die passende asphärische Kontur wie im Bild dargestellt entstanden. Quelle Wikipedia – Autor: Flying Jacket http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/

1930 erfunden vom deutschen Optik-Ingenieur Bernhard Schmidt. Die asphärische Korrektur-Platte korrigiert den Öffnungs-Fehler des Kugelspiegels. Großes Bildfeld, aber die Fokus-Ebene ist gewölbt! Dazu kann z.B. ein Planfilm auf eine spärisch geformte Aufnahme mit Vakuum angesaugt werden. Die Kamera hat cirka die doppelte Länge der Brennweite. Der Spiegel ist deutlich größer als die Korrektor-Platte bzw. die Apertur-Blende – abhängig von der Größe des Bildfeldes, das man auszeichnen möchte. Dies ist seit den 1930er Jahren weltweit das wichtigste Instrument, mit dem der Sternenhimmel weltweit systematisch durchgemustert wird (Hamburger Schmidt-Kamera 1954 (Planung ab 1937) mit Apertur 80 cm, das berühmteste ist wohl der große Schmidt-Spiegel am Palomar-Observatorium mit 1,22 m Öffnung und 1,8 Meter Spiegel (1948). Weniger bekannt dürfte den meisten das folgend dargestellte Instrument sein – in JENER Zeit (um 1960) war die Optik-Industrie der DDR konkurrenzfähig auf Weltniveau – wenn nicht führend:

Bild 15: Größte Schmidt-Kamera der Welt in Tautenburg, Thüringen, D (Alfred-Jensch-Teleskop) – Apertur 1,34 m, Spiegeldurchmesser 2,00 m f/2,0 (gut, dass ein Mensch hinter der „Kamera“ stand! Das stellt den Maßstab her …) – erstellt 1960 von Carl Zeiss Jena.

Bemerkung: das heute nach Schmidt benannte Prinzip war bereits 1924 vom finnischen Physiker Yrjö Väisälä entdeckt – aber wegen der sphärischen Bildebene wieder verworfen worden. V. hat später sub-aperture Bildebnungskorrektoren für die Schmidt-Kamera entworfen.

Typ 5a: Schmidt- Newton Teleskop

Bild 16: Schmidt-Newton Teleskop mit dem an der Schmidt-Platte angebrachten 45°-Fangspiegel. Quelle: Wikipedia – Von Szőcs Tamás Tamasflex – Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8622001

Die Öffnungsblende mit der Schmidt-Platte rückt hier wieder nahe am Diagonalspiegel (VOR dem Brennpunkt) liegt. Der Vorteil des sehr großen Bildfeldes geht dabei größtenteils verloren, aber die Koma und Astigmatismus am Bildrand sind gut korrigiert. Das Bildfeld bleibt (ohne zusätzlichen Linsen-Korrektor) gekrümmt. Vorteil: mit der Korrektor-Platte als Träger entfallen die Beugungen an der Tragspinne für den Diagonalspiegel. Gleiches gilt für die folgende Cassegrain-Variante 5b).

Diese Version scheint es zur Zeit aber als kommerziell gefertigte Amateurinstrumente nicht auf dem Markt zu geben. Es werden wohl derzeit katadioptrische „Newton-Astrographen“ mit hoher Lichtstärke (um f/3) bevorzugt, bei denen alle Bildfehler inclusive Bildfeldkrümmung durch  „Sub-Apertur“-Korrektoren direkt vor dem Okular beseitigt werden. Dann auch nicht mehr ganz billig … (Hauptspiegel dann wohl meist hyperbolisch!)

Typ 5b: Schmidt-Cassegrain Teleskop

Bild  17: Schmidt-Cassegrain-Teleskop – Qielle: Wikipedia – Von Szőcs Tamás Tamasflex – Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8632917

Dies ist heute eines der am weitest verbreiteten Amateur-Instrumente (bis 16″ oder 20″ Apertur im Extremfall) mit Öffnungsverhältnisen meist um f/10 herum. Es ist weniger kurz bauend als das Maksutov-Cassegrain-Teleskop, hat aber dafür ein größeres fehlerfreies Bildfeld.

Typ 5c: Flat-Field-Kameras mit Schmidt-Platte (Lichtenknecker)

Auch als Zweispiegelsystem bezeichnet. Ein konvexer Sekundärspiegel wirft das Bild durch eine Hauptspiegelbohrung in den zugänglichen Bereich hinter dem Hauptspiegel. Das Bildfeld ist eben.

Typ 5d:Super-Schmidt-Kameras

Die Kreativität der Optik-Ingenieure im 20. Jh. war hier fast grenzenlos. Sehr viele Varianten wurden entwickelt, um immer leistungsstärkere Schmidt-Kameras zu schaffen, meistens mit Aperturen zwischen 500 und 800 mm und Öffnungsverhältnissen bis zu f/0,67 ! Es wurden zum Beispiel zwei Menisken hinzugefügt die die Schmidt-Platte zwischen sich einschlossen.

Hier finden Sie ein Beispiel – die Hewitt Camera mit 630 mm Öffnung und Spiegeldurchmesser von 864 mm (f/1, Bildfeld 10°), die man in England sogar heute offentlich besichtigen kann.

Diese Kameras wurden meistens für Kometen- oder Asteoridensuche oder Vermessung von Satellitenbahnen eingesetzt (woraus man Erkenntnisse über dias Gravitationsfeld der Erde gewinnen kann …).

Typ 6: Maksutov-Teleskop

Das heute als Maksutov-Prinzip bekannte System wurde um das Jahr 1941 gleich drei mal erfunden – und zwar nachweislich unabhängig voneinander, da wegen des 2. Welt-Krieges Wissenschaftler oft nichts von den Arbeiten anderer Wissenschaftler wussten: Dimitri Maksutov (Sowjetunion), Albert Bouwers (Niederlande), Kurt Penning (Deutschland) und Denis Gabor (Ungar, der Erfinder des Hologramms!). Alle verwenden die Meniskus-Korrektor-Linse auch als Träger des Sekundär-Spiegels in leicht unterschiedlichen geometrischen Konfigurationen mit dem Hauptspiegel.

Wenn man allerdings nachvollzieht, wie intensiv Maksutov bereits seit 1929 in der Sowjetunion an seiner Lösung gearbeitet hatte und dass er fast alle denkbaren Konfigurationen (46 aus seinen Unterlagen bekannte, berechnete Varianten) schon selbst durchgespielt hatte, erscheint die Ehrung seines Namens für dieses optische Prinzip durchaus angemessen! Außerdem ist er der einzige, der schließlich zuerst die Massenfertigung kleiner Maksutov-Cassegrain-Teleskope angestoßen hat und selbst eine große MAK-Kamera (700 mm Öffnung), das AZT-16 auf dem Cerro El Roble in Chile, bauen konnte (Doppelmeniskus-Korrektor, Apertur 700 mm, f/3, Spiegeldurchmesser 1 m). Ein Bild des Teleskops finden sie hier.  Ähnlich große Maksutov-Kameras gibt es auch im Hohen Kaukasus und auf der Krim.

Typ 6a: Maksutov-Newton Teleskop

Relativ preiswerte Variante (alle Flächen sphärisch!) mit einer für Maksutovs hohen Lichtstärke bei f/4 – f/5 und wegen der geringen Obstruktion durch den Sekundär-Diagonalspiegel hoher Kontrast. Allerdings nicht so kurz bauend wie die typischen Mak-Cassegrains (s. 6b)). Nachteil für Astro-Anwendung ist die geschlosene Bauweise, daher meis mit Schlitzen an der Korrektor-Meniskus-Peripherie ausgestattet.

Typ 6b: Maksutov-Cassegrain-Teleskop

Bild 18: Maksutov-Cassegrain-Teleskop, wird in dieser Konfiguration oft als Spot- oder Gregory-Maksutov-Cassegrain bezeichnet. Stammt aber genau so aus Dimitri Maksutovs Entwürfen – Quelle: Wikipedia – Autor: Halfblue – http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/.

Dies ist schlechthin DER Klassiker unter den astonomischen Amateur-Instrumenten – kompakt und stabil – mit Öffnungsverhältnis meist ab f/10 oder höher. Bereits ab 1945/46 wurden die Geräte unter D. Maksutovs kritischem Auge (mit Apertur 70 mm f/10) in der Sowjetunion in Massen produziert und an die Schulen des riesigen Landes geliefert! Kostengünstig (alle Flächen sphärisch) und stabil – und für den Einsatz in den Schulen war es Maksutov sehr wichtig gewesen, ein GESCHLOSSENES System zu schaffen, um Staub und Korrosion an den Spiegeln zu minimieren! Und das ist auch der Grund, weshalb es sich ab den 1950er Jahren weltweit als Foto-Teleobjektiv so stark durchsetzen konnte und noch bis heute gefertigt wird. Diese Hersteller liegen heute in der Ukraine und in Russland.

Ab 1954 wurden derartige Amateur-Instrumente, die auch als Teleobjektive für normale Fotografie geeignet waren, im Westen von der Firma QUESTAR geliefert (hier nenne ich ausnahmsweise einen Firmen-Namen eines Teleskop-Herstellers wegen des Pioniercharakters des Produktes außerhalb der Sowjetunion).

Typ 6c: Rutten-Maksutov-Cassegrain

Bild 19: Rutten-Maksutov-Cassegrain

Der Vorschlag des Niederländischen Optik-Designers Harrie Rutten  zielt darauf, dass für den Sekundärspiegel im Maksutov-System bis zu drei zusätzliche Freiheitsgrade möglich sind: a) ein anderer Krümmungsradius als die Rückseite des Front-Meniskus hat, b) möglicherweise noch eine Asphärisierung der Sekundärspiegelfläche, um die Bildfeldkrümmung und Koma zu verbessern und c) eine andere axiale Position der Sekundärspiegelfläche, wozu der Sekundärspiegel auf der Meniskus-Rückseite auf ein „Podest“ gesetzt wird.

Typ 7: Ritchey-Chrétien-Cassegrain mit Bildfeld-Ebnungslinse.

Bild 20: RC-Cassegrain-Teleskop mit Bildfeldebnungslinsen, die zwischen Sekundärspiegel und hinterem Fokus liegen – hier nicht dargestellt. Die Spiegelflächen sind Asphären, die weder parabolisch noch hyperbolisch sind. – Quelle: Wikipedia – Autor: ArtMechanic – http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/

Typ 8: Cassegrain-Typen mit „Sub-Apertur“-Korrektoren: Argunov, Klevtsov (nach Popov)

Hier sind Linsengruppen (direkt) hinter dem Sekundärspiegel eingesetzt, wobei der Sekundärspiegel meistens als Mangin-Mirror ein Bestandteil dieser Linsengruppe ist:

Bild  21: Klevtsov-Cassegrain-Teleskop – Quelle Wikipedia, Autot HHahn, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0

Typ 8: Kutter-Schiefspiegler mit keilförmiger Korrekturlinse

Bild 22: Kutter-Schiefspiegler mit keilförmiger Korrekturlinse

Bei Spiegeldurchmessern über 4 Zoll ist der Fehler aus der „Schiefstellung“ nicht mehr tolerierbar und es muss eine spezielle, schwierig herstellbare keilförmige Linse in den strahlengang eingebracht werden, die den Fehler korrigiert. Damit können Schefspiegler dann aber eine höhere Auflösung erreichen als die besten Apochromatischen Linsenfernrohre. Es gibt professionelle Hersteller dafür und die Geräte können prinzipiell ideal für Volkssternwarten sein – falls sie in die vorhandenen Kuppeln passen.

Es gibt eine Ausnahme bei den Spiegelbaugruppen, bei der es sich nicht um eine Erfindung  für die astronomische Optik handelt, sondern eigentlich um die Umkehrung einer Fernrohr-Optik: ein optisches Element, das aus einer annähernd punktförmigen Lichtquelle ein möglichst enges, parallel gerichtetes und daher weit reichendes Lichtbündel erzeugt – der Reflektor eines Such-Scheinwerfers bzw.  und Leuchtturm-Lichtes. Dies ist der „Mangin-Spiegel“.

Bild 23: Mangin-Spiegel in einem Suchscheinwerfer zur Erzeugung eines möglichst parallelen Lichtstahlen-Bündels, mit der Lichtquelle bei dem roten Kreuz im Brennpunkt des Spiegels. Die rückseitig verspiegelte negative Meniskuslinse korrigiert den Öffnungsfehler des Kugelspiegels. Quelle: Wikipedia – https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/

Hier geht es zu Die katadioptrischen Foto-Objektive – Teil II

Herbert Börger

Berlin, 18. Oktober 2020