Long Telephoto-Lenses and Temperature

Would you expect, that the optical performance of your photographic lenses can be seriously influenced by the operating temperature? Have you ever realized lack of sharpness in extreme environmental temperature conditions?

The simple answer is, of course, that within the specifications for use, given by the makers, there should be no such concern. But it is not that simple.

For amateur astronomers with their mostly very long telescope-focal-length optics (mirror or lens) this fact is very common:

before using the instrument in the clear and mostly cold winter-nights, you have to put the telescope early enough outside (shielded against due) to bring it into a thermal equilibrium with the ambient air at the time you start your observations. The reason: during essential temperature-changes of the optical components (mirrors, lenses) and their mounting devices, their surface-shapes and adjustment change and destroy the extremly precise optical alignment – until the thermal equilibrium is restored. The refractor-lenses may be mounted to allow for some thermal differences, but large mirrors have to be mounted and adjusted extremely precise, so that the cooling-down of the mount, that holds the mirror, may even generate mechanical tension on the mirror – and that generates optical distortions! So we should remind: the absolute temperatures are not the problem – but the thermal transition stages from warm to cold or opposite way!

This fact is also an important design aspect for telescopes: the preferred structure is „as open as possible“ to allow the air to circulate and to generate a good heat-exchange with the internal telescope structure to speed up this process. While the air gets colder during the night, the instrument’s optics can follow close enough to keep the temperature difference low.

There is an impressive document in the archives of the Mt. Wilson Observatory (near L.A., USA) describing the „first-light“-moment of the new 2,5 meter mirror telescope (Hooker-Telescope) on November 1, 1917 – use this link to the adventurous story! („First light“ is the moment, when somebody looks through the finished instrument for the first time.) Here the first-light moment at Mt. Wilson is described near the end of the long text in this link and shows, what a three hour cool-down time made to the optical properties of the 2.5 meter mirror, (which was made by George Willis Ritchey – and allowed for the detection of the expansion of the Universe by Edwin Hubble shortly after taking this telescope into service.).

Picture 1: 2,5 m (100 inch) Hooker-telescope on Mt. Wilson: just struts hold the mirrors to ease the circulation of air for for a fast achievement of  temperature equilibrium – source: Ken Spencer, CC BY-SA 3.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0>, via Wikimedia Commons

Many instruments in astronomy are closed assemblies, using a corrector-plate (Schmidt-system) or meniscus-lens (Maksutov-System) in the entry of the tube and the mirror at the rear-end (catadioptric telescope – see also my specific blog-article here.) The big disadvantage of these closed systems is the „inertia“ in cooling down due to the closed volume in the telescope tube. Therefore often slits around correctors and mirrors are placed, which allow for sufficient circulation of air through the tube – and even active ventilation is used to shorten the period to reach equilibrium. In some big modern telescopes, the mirror may even be actively temperature-controlled.

Picture 2: „Closed“-tube optical system Maksutov-Cassegrain-Teleskop – source: Wikipedia – Author: Halfblue – http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/.

Long telephoto-lenses for normal photography can not be open systems, because the lens-barrels definitely have to be tightly sealed to avoid the invasion of dust, humidity or corrosive gases.

This means, that you have to plan and prepare carefully to bring your equipment to ambient temperatueres in time to avoid these thermal problems. For photographic equipment this would equally refer to the situation, when you come from climate-controlled environment (e.g. hotels) into wery hot (and humid) areas. There is an additional problem, that in bringing cold equipment into hot-humid environment, there might be condensation of humidity on the lenses/mirrors.

This problem is even more delicate with catadioptric lenses (mirror/lens-systems often called just „mirror-lenses“ – in German „Spiegel-Objektive“). In these the surface-shape of the mirrors and the adjustment from mirror to mirror is extremely sensitive for the optical performance of the lens-systems.

I have to-date not realized this with focal lengths of up to 350 mm (though it might be also there to a certain dergree) – but this is definitely an important aspect for focal lengths between 500 mm and 1,000 mm or longer.

From which focal length on these problems may occur, will mainly depend of the type of optical system  – and of course the resolution of your cameras sensor!

Here I want to show you this effect with an example of a catadioptric lens of 800 mm focal length: the Vivitar Series 1 Solid Catadioptric 800mm f/11, used on the Sony A7Rm4 (60,3 MP, 35mm format – 3.77 µm pixel-pitch).


Picture 3: Vivitar Series 1 Solid Catadioptric 800mm f/11 – source: fotosaurier

It was the first day this year with just sligtly above zero outside temperature (+2 degree Celsius) and very clear air. At ca. 1:15 p.m.I set out the 800mm f/11 lens on the tripod on the balcony and tried to focus on my favorite landscape test target: a roof-top at about 40 m distance.

The advantage of this target is, that it has large AND fine details, low contrast AND high contrast areas and – most important – a sufficient depth, so that I can detect focusing errors very well!


Picture 4: Overview picture – complete field of view of the „roof-top“ landscape target in ca. 40 m distance taken with Sony A7Rm4 and Vivitar Series 1 Solid Cat 800mm f/11 – this is the „sharp“ picture after the cool-down period of the lens – source: fotosaurier

It was nearly impossible to meet the positive focus position – so I did the best guess and made the photo – and here is the 100%-crop around the focus-position, which is the first steel spring at the right side of the roof edge:


Picture 5: The 67% detail of the focus-area (clamp and spiral-spring!) made 15 minutes after setting the lens outside. Best guess of focus, however, you will find no sharper point in front or behind – the distance scale on the lens says 50 meters in this non-equilibrium temperature situation – source: fotosaurier

At this point of time the lens internally is still on room temperature of about 21 degrees … starting to cool down for about 15 minutes, which it took me to set everything up and focus carefully – but desperately, becaus no really sharp focus was seen in high viewing-magnification.

I had focused using the maximum viewfinder enlagement in the Sony camera and was sure: this is not a really sharp picture. But I could not find a better focus. Picture 5 is a 67% crop of the image taken. And as the subject has some depth: no – there is no better focus to be seen on this picture in front or behind the plane of the spring.

I left the lens with camera in this position for three hours and refocused the lens: now I experienced a quite snappy focus – and you can see the same crop-area here:


Picture 6: The 67% detail of the focus-area (refocused!) after additional 3 hours of the lens outside – source: fotosaurier

The gain in sharpness is damatical – and it exists over the whole field of view, not only in the plane of focus! Also out-of-focus areas show higher contrast now.

However, it connot be ignored, that this catadioptric lens in this picture does by far not use the potential 3,168 Line-Pairs per Picture Height Nyquist frequency of the cameras sensor. My estimate is, that we have here an MTF30 of about 1,100-1,200 LP/PH. So either the three hours of cool-down time were not yet sufficient – or the lens may be not better than this.

(The 1,200 LP/PH MTF30-resolution would correspond to 100 Lines/mm in older „analog“ data. Very good CATs in the 1970s had center-resolutions (measured on film) between 50 and 60 Lines/mm. This relation makes sense, as the difference (factor 0.6 lower for film!) may be owed to the effect of grain and the thickness of the emulsion.)

The „Solid Cat“ 800mm f/11 is a massiv piece of optics – the lens barrel is nearly completely filled with glass, as you see in the lens-scheme:


Picture 7Lens-scheme of the Vivitar Series1 Solid Cat  – source: Perkin Elmer Patent application

It is an absolutly unusual mass of glass – so I would not exclude, that the cooling time should even be longer to reach the thermal equilibrium. My plan is, to make a sequence of photos taken in shorter intervals and over a longer time – as soon as the outside temperatures go down again.

I am not so happy with the fact, that I had to use landscape-scene-shots to demonstrate the performance of the lens, however, for 800mm focal length my IMATEST testing-arena is too short. Maybe I will make a parallel IMATEST-trial then with a 500mm CAT.

So, please, consider this as a first teaser for the topic which has shown clearly, that photographic lens performance may seriously suffer during the time, a lens is undergoing strong temperature-change and before equilibrium is reached.

I promise to come back with a more elaborate research-plan soon.

Herbert Börger

Berlin, December 4th, 2020

Aphorism of the day: Scientific research is most successfull, when it brings up more new questions than it has answered. (fotosaurier)

Copyright: fotosaurier

Katadioptrische Foto-Objektive – Teil II

Teil II: Spiegel-Linsen-Systeme für die „normale“ Fotografie.

Für fotografische Tele-Objektive werden ausschließlich Kombinationen von Spiegeln und Linsen – sogenannte katadioptrische Systeme – eingesetzt.

ENTSTANDEN sind auch diese Optik-Systeme ursprünglich alle im Bereich der astronomischen Optik (s. Teil I).

Diese Spiegel-Linsen-Systeme sind für normale fotografische Aufgaben im terrestrischen oder sogar Nahbereich geeignet – aber natürlich auch für astronomische Anwendungen und auch für visuelle Beobachtung der erzeugten Bilder durch ein Okular – vorausgesetzt, dass die tatsächliche Umsetzung der Gerätekonzepte mit Auflösung und Kontrast auch die hohen Ansprüche für astronomische Geräte erfüllen!

Katadioptrische Systeme werden im normalen Foto-Bereich gegenüber reinen Linsen-Teleobjektiven wegen sehr geringer Baulänge und Gewicht geschätzt.

Der bedeutendste Unterschied der Foto-Optik (zum Einsatz als Wechselobjektiv an Systemkameras) gegenüber der astronomischen Optik ist, dass die Optiken hermetisch dicht abgeschlossen sein müssen. Ein Handhaben offener Spiegelsysteme als Wechselobjektiv im alltäglichen Einsatz wäre aus vielen Gründen undenkbar: Staubablagerung, Spritzwasser, Tau- und Belagsbildung, Beschädigung.

Das Scheitern des kommerziellen Projektes eines Nur-Spiegel-Schiefspieglers in den 1970er Jahren (Katoptaron) des deutschen Optik-Designers H.Makowsky mit einem völlig ofenen Spiegelobjektiv scheint diese Hypothes zu bestätigen. Das optische Konzept des Schiefspieglers (das es in dutzenden individuellen Varianten gibt) ist keinesfalls Schuld daran: es ist sehr erfolgreich und hoch geschätzt bis heute vor allem im Astro-Amateurbereich – aber auch bei wissenschaftlichen Anwendungen!

(Für astronomische Geräte gilt im Allgemeinen genau das Gegenteil bezüglich Offenheit: sie sind am besten so offen wie möglich, damit der Temperaturausgleich in die kälteren Nacht-Beobachtungszeiten hinein möglichst schnell und ohne Temperaturdifferenzen innerhalb des Gerätes vonstatten geht! Bei hermetisch geschlossenen Foto-Objektiven muss man sich der Gefahren durch Temperaturdifferenzen im Gerät für die optische Leistung deshalb immer bewusst sein!)

Rubrik III – das „Katadioptrische Dialyt“

Bevor wir uns den konkreten Fotoobjektiven zuwenden, müssen wir noch einen dritten Ausflug in die astronomische Optik machen. Der wird notwendig, wenn man sich die Linsenschnitte der verschiedenen katadioptrischen Foto-Objektive nur einmal flüchtig ansieht:

dabei fällt einem schnell auf, dass diese Systeme sich im Wesentlichen in zwei Gruppen unterteilen lassen:

Gruppe 1: Maksutov-Cassegrain-Systeme, leicht erkennbar an der nach vorne konkaven Frontlinse;


Bild 1: Linsenschnitt Foto-Objektiv auf Basis Maksutov-Cassegrain mit Meniskus-Frontlinse und ohne Mangin-Primärspiegel (Rubinar 300mm f/4,5 – Lichteintritt links). Bei diesem guten Objektiv verläßt man sich wegen des relativ großen Bildwinkels nicht mehr alleine auf den Maksutov-Meniskus! – Quelle: Spezifikationsblatt des Herstellers

Gruppe 2: Ähnlicher Cassegrain-Grundaufbau wie Gruppe 1, aber die große Frontlinse, die das System nach vorne abschließt, ist kein Meniskus.

Mirotar 500mm f8

Bild 2: Linsenschnitt Foto-Objektiv der „Gruppe 2“ (Zeiss Mirotar 500mm f/8 von 1997), Lichteintritt links) – Quelle: Zeiss-Spezifikations-Blatt Mirotar 500mm f8

Die eventuell erwartete Gruppe auf Basis des Schmidt-Cassegrain-Prinzips existiert nicht – ich habe jedenfalls dafür nur ein Foto-Objektiv-Beispiel gefunden: das Celestron 750mm f/6.3. Ein elementares SC-System ohne zusätzlichen Sub-Apertur-Korrektor von 1978. Auch Celestron ist danach wohl bald wieder bei seinen „Leisten“ geblieben – den astronomischen Teleskopen – bis heute.

Schon die beiden frühen ersten „Zeiss-Boliden“ 500mm f/4.0 (Ost) bzw. f/4.5 (West) und 1.000mm f/5.6 – Ost und West – sind Stellvertreter der beiden Gruppen 1 und 2:

Das mit Vorstellung 1961 frühere Carl-Zeiss-Jena-„Spiegelobjektiv“ (Ost) ist ein Vertreter der Gruppe 2 mit zwei Linsen in der vollen Apertur, die nicht Menisken sind; man könnte es wohl am ehesten als Houghton-Cassegrain-Variante bezeichnen.

Das 1963 herausgebrachte Zeiss-Oberkochen-Mirotar (West) ist ein Maksutov-Typ (es hat sogar zwei-Meniskuslinsen in der vollen Apertur! (Linsenschnitt des 1000mm f5.6 in diesem Link).

Des Rätsels Lösung: die sogenannten katadioptrischen Dialyte!

Schon sehr lange war in der astronomischen Optik ein wesentlich grundlegenderes optisches System der Kombination von Linse und Reflektor bekannt: schon Newton soll darüber nachgedacht haben (!) aber erstmals schriftlich dokumentiert wurde es 1814 als Patent von F.W. Hamiltonheute bekannt als das Hamilton-Teleskop.

Damit war das Grundprinzip des katadioptrischen Dialyts (auch Brachymedial genannt) in der Welt. Es wird nach gut 200 Jahren immer noch stetig und erfolgreich weiterentwickelt – und es ist die Grundlage aller katadioptrischen Foto-Objektive.

In der einfachsten Form besteht es aus zwei Linsen: einer vorderen Sammellinse aus Kronglas (Lichteintritt) und einer hinteren Meniskuslinse aus Flintglas, deren hintere (konvexe) Fläche verspiegelt ist. Dieses hintere Element wird man mehr als 60 Jahre später (nach Mangins Erfindung für Scheinwerfer-Spiegel 1876) auch als „Mangin-Spiegel“ bezeichnen … obwohl er 1814 bei Hamilton längst da war – als katoptischer Teil des Hamilton-Teleskops.

Vom Grundaufbau von Hamilton habe ich keine Creative Commons Abbildung verfügbar, aber hier in der „telescope-optics“-Website finden sie das Bild und eine ausführliche Beschreibung und zusätzlich Informationen über Folgeentwicklungen: die Schupman-Wiedemann-Busack-Riccardi-Houghten-Honders-Terebizh-Teleskope bzw. -Kameras.

Das Maksutov-Teleskop ist demnach nur EINE spezielle Variante der katadioptrischen Dialyte! 

Maksutov hat seine Entdeckung der Meniskus-Korrektoren-Lösung selbst so beschrieben, dass ihm angesichts des Mangin-Spiegels die Idee kam, die Meniskus-Linse von der  (sphärischen) Spiegel-Fläche zu lösen und nach vorne zur Apertur zu verschieben. M. suchte nämlich nach einer Lösung für ein robustes, abgedichtetes Teleskop für Schulen, das kostengünstig in Massen herstellbar sein würde! Da lag es natürlich auf der Hand, die Möglichkeit eines verspiegelten Zentralflecks auf der Rückseite des Meniskus als Cassegrain-Sekundärspiegel zu überprüfen … was dann erfolgreich war. Ob er auch Lösungen untersucht hat, für den Primärspiegel die Mangin-Lösung beizubehalten, ist mir nicht bekannt. Er soll insgesamt 46 Systemvarianten durchgerechnet haben … Ob ihm das Hamilton-Teleskop damals bekannt war, weiß ich nicht.

Sieht man sich die verschiedenen Lösungsvarianten der katadioptrischen Dialyte im Detail an, entdeckt man z.B., dass die Bauweise der Korrektorlinsen im Houghton-Teleskop dem Linsenschnitt in den Carl Zeiss Jena „Spiegelobjektiven“ (1961) entspricht.

Bild 3: katadioptrisches Dialyt nach Houghton, diese Korrektor-Bauform wird offensichtlich im Zeiss Jena Spiegelobjektiv verwendet  – Quelle: Wikipedia – Autor: Rick Scott – https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/

Gegenüber den „einfachen“ Frühformen reiner Spiegelteleskope verfolgte man beim katadioptrischen Dialyt von Anfang an zwei grundlegende Ziele:

  • Die Verwendung von ausschließlich sphärischen Flächen bei Linsen- und Spiegelflächen (Kosten! Massenfertigung! Genauigkeit!);
  • das Erreichen sehr großer Bildfelder mit hoher Bildgüte, z.B. für Astrographen-Kameras.

In der deutschen Wikipedia gibt es einen recht guten Übersichtsartikel über die katadioptrischen Dialyte – allerdings ohne Grafiken. Wer mehr Details braucht, dem empfehle ich nochmals die „telescope-optics“-Website.

Während in der Zeit vor dem 2. Weltkrieg bei astronomischen Teleskopen und Kameras bevorzugt asphärische Korrekturen zur Optimierung der Bildqualität zum Einsatz kamen (Beispiel: Ritchey-Chretien-Cassegrain!) wird in der jüngeren Zeit bevorzugt mit sphärischen Optik-Flächen gearbeitet. Terebizh argumentiert in seiner Veröffentlichung von 2007 damit, dass sphärische Flächen sehr viel präziser und reproduzierbarer hergestellt werden können (also nicht nur billiger sind). Die damit erzielte Bildqualität sei nachweislich besser. Hinzu kommt, dass man – spätestens ab den 1980er Jahren –  neuerdings wesentlich mehr Freiheitsgrade im Bereich der Linsen-Korrektoren mit neuen Glassorten und effizienten Beschichtungen hat.

Hier gehts zu Teil III – zu den Fotoobjektiven von 1946 bis heute.

Herbert Börger, Berlin, 31. Oktober 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.


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 katadioptrische 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 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.


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


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“ Spiegeloptik 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 Spiralstruktur 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 etablieren.

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 Bildfehler 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 Spiegel 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 das wichtigste Instrument, mit dem der Sternenhimmel weltweit systematisch durchgemustert wird. Beispiele sind die Hamburger Schmidt-Kamera (Fertigstellung 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 Menschen hinter der „Kamera“ standen! 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 sphärisch gekrümmten 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 an den Diagonalspiegel (VOR dem Brennpunkt). 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 vier 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