Tipps fürs Newton-Teleskop

von Herbert Zellhuber

Bei der Anschaffung eines Teleskops werden die Überlegungen zuerst da hin gehen, welche Öffnung und Brennweite das Instrument haben sollte. Nehmen wir mal an, man hat sich auf einen Achtzöller geeinigt - aber welche Brennweite sollte das Teleskop haben? Der Astrofotograf wird zu einem Öffnungsverhältnis f/4 tendieren, damit der Film schneller ausbelichtet ist. Der engagierte Planetenbeobachter bevorzugt eher f/8, denn der Fangspiegel kann bei diesem Öffnungsverhältnis kleiner gehalten werden, was wiederum die Obstruktion verringert. Weniger Obstruktion bedeutet besseren Kontrast, der vor allem bei der visuellen Beobachtung von großer Bedeutung ist. Man kann sich den Kontrastverlust so vorstellen: Je größer die Abschattung des Fangspiegels ist, umso mehr Licht wird dem Beugungsscheibchen entzogen. Dieses Licht wandert dann nach außen in die Beugungsringe (ein ähnliches Phänomen tritt übrigens auch dann auf, je schlechter die Qualität des Spiegels ist). Hier sollte noch erwähnt werden, dass das Auge ein wesentlich anderes Kontrastvermögen als der Film hat. Beim Film ist deshalb auch bei 50% Obstruktion kein wesentlicher Kontrastverlust erkennbar.

Das Parabolisieren eines f/8-Spiegels ist im wesentlichen weniger schwierig als z.B. bei f/4. Deshalb dürfte wohl auch die Wahrscheinlichkeit größer sein, eher einen perfekten Spiegel mit f/8 als einen solchen mit sehr "schnellem" Öffnungsverhältnis zu erhalten. Der Deep Sky Beobachter wird eher dazu neigen, sich einen f/6-Spiegel anzuschaffen. Mit einem 40er Okular ist eine Austrittspupille von ca. 7 mm zu erreichen und auch die Transportierbarkeit spielt eine gewisse Rolle.
Anmerkung: Ich verwende hier den Ausdruck "schnelles Öffnungsverhältnis", um Missverständnisse mit "kurzem" und "weitem" Öffnungsverhältnis zu vermeiden (f/4 ist schneller ausbelichtet als f/6).

Wer sich das Teleskop selbst baut, dem wird sich die Frage stellen, wie groß der Fangspiegel sein muss. Eine Faustregel besagt, dass bei visueller Beobachtung die Abschattung des Fangspiegels im Durchmesser nicht wesentlich über 20% des Hauptspiegels liegen sollte. Grundsätzlich gilt: Je "langsamer" das Öffnungsverhältnis, je näher das Okular am Fangspiegel und je kleiner die 100%-Ausleuchtung im Fokus ist, desto kleiner kann der Fangspiegel gehalten sein. Man wird deshalb einen möglichst niedrigen Okularauszug anbauen. Ein Schraubfokussierer z.B. kann recht niedrig gebaut sein. Ideal wäre ein Okularschlitten, bei dem der Fangspiegel beim Fokussieren in Längsrichtung mitwandert. Ist der Fangspiegel bei einem Okularschlitten auch noch auswechselbar, kann daran so ziemlich jedes Zubehörteil angebaut werden.

Für die 100%-Ausleuchtung gilt folgendes: Bei der Langzeitfotografie im Kleinbildformat sollten es mindestens 20-25 mm sein. Weniger macht sich durch Helligkeitsabfall zum Bildfeldrand hin bemerkbar. Wer auch in den Bildecken exakt runde Sterne haben möchte, braucht zusätzlich einen Komakorrektor.
Visuell macht sich der Helligkeitsabfall zum Rand hin wesentlich weniger bemerkbar wie fotografisch. Beim Okular mit der längsten Brennweite braucht der Rand des Bildfeldes deshalb nur zu etwa der Hälfte des Hauptspiegels ausgeleuchtet sein. Der engagierte Planetenbeobachter wird qualitätsmäßig gute Spiegel zu schätzen wissen, er wird auch die Fangspiegelobstruktion möglichst niedrig halten und die 100%-Ausleuchtung bei 5 mm wählen. Visuelle Beobachter mit 1¼"-Okularen, die meist nur mittlere und niedrige Vergrößerung benutzen, werden eine 100%-Ausleuchtung mit 10 mm nehmen, da hier der Rand besser ausgeleuchtet wird. Bei 2"-Okularen braucht man 10-15 mm.
Die 100%-Ausleuchtung darf übrigens keinesfalls mit der "komafreien Region" verwechselt werden! Bekanntlich wird bei einem Newtonteleskop ein Stern nur in einem begrenzten Feld in der Mitte perfekt abgebildet (bei f/8 ist dieses Feld größer als z.B. bei f/4).

Wer schon einmal ein Teleskop gebaut hat, der weiß wie spannend der erste Blick durchs Okular ist. Stimmt der Fokus oder hat man sich verrechnet? Wurde vom Hersteller auch die richtige Brennweite angegeben? Deshalb ist bei der Konstruktion schon mal wichtig, dass die Brennweite des Spiegels nach Möglichkeit auf den Millimeter genau bekannt ist. Im Zweifelsfall muss man sich eben aus Holzlatten eine Vorrichtung bauen, auf die man den Hauptspiegel stellen kann und bei klarem Himmel den Mond anpeilt (der Mond ist "Unendlich" entfernt, bei relativ nahen terrestrischen Objekten verschiebt sich der Fokus nach außen!). Mit einem Stück Pappe sucht man das Mondscheibchen bis es scharf abgebildet ist und misst die Entfernung zum Spiegel. Ich hörte, dass es manche auch schon an der Sonne machten. Da sollte man aber sehr vorsichtig sein! Anstatt der Pappe braucht man wegen der enormen "Brennglaswirkung" natürlich ein Stück Blech.
Sind die Werte H, f und A bekannt, kann man eine maßstabsgetreue Zeichnung, z.B. 1:3 anfertigen. Wenn nötig, klebt man mehrere Blätter aneinander. Man zeichnet in folgender Reihenfolge, siehe Abb.1:

- strichpunktierte Linie (optische Achse o)
- Durchmesser des Hauptspiegels H
- Brennweite f
- Durchmesser der 100%-Ausleuchtung A
- Die äußeren Kanten von H und A werden dann mit den Konstruktionslinien k verbunden.
Als nächstes errechnet man den Innendurchmesser vom Tubus T In der Regel genügen 20% mehr als der Durchmesser des Hauptspiegels. Die Linien von T zeichnet man nun wie in Abb.2 gezeigt.

Dann wird der Abstand X vom Brennpunkt bis zur Mitte der 90°-Umlenkung des Fangspiegels in die Zeichnung übertragen. Die Maße des Okularauszugs und die Lage des Brennpunkts müssen deshalb bekannt sein. Günstig ist es, wenn man seine Okulare schon homofokal hat, dann braucht beim Okularwechsel nur minimal nachfokussiert werden. Am 90°-Umlenkpunkt der strichpunktierten Linie wird der Fangspiegel mit einem 45°-Winkel eingezeichnet. Die Schnittpunkte mit den dünn gezeichneten Konstruktionslinien ergeben die Größe des Fangspiegels. Der Fangspiegel ist bekanntlich elliptisch. Bei der Bezeichnung der Fangspiegelgröße gibt man die kurze Achse F an. Als weiteres ist in der Abb.2 zu erkennen, dass der Fangspiegel einen Versatz hat, hier mit weit und nah bezeichnet. Dieser Versatz, auch Offset genannt, muss bei der Montage der Fangspiegelfassung eingeplant sein. Der Offset bewirkt, dass die optische Achse o mit der Mittelachse des Tubus übereinstimmt.
Wer nun mit der nötigen Sorgfalt gezeichnet hat, der kann die Konstruktionsmaße durchaus auf einen Millimeter genau abmessen (genauer ist es eh nicht nötig). Statt das Maß des Fangspiegels zeichnerisch zu ermitteln, kann man diese auch mit einer mathematischen Formel berechnen:
F = ( X · H : f ) + A
Um aber sicher zu gehen, sollte man auf eine maßstäbliche Zeichnung nicht verzichten.
Noch etwas zum Tubus-Innendurchmesser und Offset:
Der Tubus-Innendurchmesser kann auch kleiner gehalten sein, als es die Faustformel Durchmesser Hauptspiegel + 20 % vorgibt. Werden nur kleine Gesichtsfelder wie bei der Planetenbeobachtung benötigt, kann man einen Tubus-Innendurchmesser mit Durchmesser Hauptspiegel + 10 % wählen.

Wie wirkt es sich eigentlich aus, wenn der Versatz des Fangspiegels nicht berücksichtigt wurde? In diesem Fall stimmt die optische Achse mit der Mittelachse des Tubus nicht überein, ansonsten kann die Justage in Ordnung sein. In der Praxis wird man dies aber wahrscheinlich erst bei f/4 mit sehr schmalem Tubus-Innendurchmesser bemerken. Dann könnte der Tubus vignettieren, was man aber auch wahrscheinlich erst beim Fotografieren bemerken wird.
Hier eine Tabelle mit Zahlenbeispielen an 200 mm Newton-Teleskopen. Der Tubus hat in der Reihe 1-7 jeweils einen Außendurchmesser von 250 mm. Das visuell optimierte Planetenteleskop in Reihe 8 hat einen Tubusdurchmesser von 230 mm.

Die Reihe 1 zeigt ein fotografisch genutztes Newton-Teleskop 200 f/4 mit einen 65 mm hohen Okularauszug. In Reihe 2 ist ein niedriger Okularschlitten montiert und der Fangspiegel kann deshalb um 11,3 mm kleiner gehalten werden. Reihe 3 und 4 zeigt visuell ausgerichtete Instrumente mit f/4 für 2"-Okulare. Auch mit einem niedrigen Okularschlitten ist die Obstruktion mit 25 % für die visuelle Beobachtung noch relativ hoch. Bei den f/6-Instrumenten in Reihe 5 und 6 kann die Obstruktion auf ca. 20 % und darunter gesenkt werden. Reihe 7 zeigt ein Newton f/8 mit 2"-Okularauszug und in Reihe 8 ist ein visuell optimiertes f/8-Gerät für die Planetenbeobachtung - Obstruktion 11,5 %!

 Reihe   Gerät  A X  Fangspiegel F   Obstruktion 
 1   fotografisch 
 200/800 
 Auszug 110 		  25   125 + 110 = 
235		  (235 · 200 : 800) + 25 = 
83,8		 42 %
 2   fotografisch 
 200/800 
 Schlitten 65 		  25   125 + 65 = 
190		  (190 · 200 : 800) + 25 = 
 72,5 		 36,3 %
 3   visuell 
 200/800 
 Auszug 65 		  10   125 + 65 = 
190		  (190 · 200 : 800) + 10 = 
 57,5 		 28,8 %
 4   visuell 
 200/800 
 Schlitten 30 		  10   125 + 30 =
155 		  (155 · 200 : 800) + 10 = 
48,8		 24,4 %
 5   visuell 
 200/1200 
 Auszug 65 		  10   125 + 65 =
190 		  (190 · 200 : 1200) + 10 = 
41,7		 20,9 %
 6   visuell 
 200/1200 
 Schlitten 30 		  10   125 + 30 =
155 		  (155 · 200 : 1200) + 10 = 
35,8		 17,9 %
 7   visuell 
 200/1600 
 Auszug 65 		  10   125 + 65 =
190 		  (190 · 200 : 1600) + 10 = 
33,8		 16,9 %
 8   visuell 
 200/1600 
 Schlitten 30 		   5   115 + 30 =
145 		  (145 · 200 : 1600) + 5 = 
23,1		 11,5 %

Kontrastverlust durch Falschlicht

Newtonteleskope können mit Volltubus oder Gitterrohrtubus gebaut werden. Bei beiden Konstruktionen ist es jedoch wichtig, dass kein Falschlicht das Okular erreicht. Man kann dies recht einfach kontrollieren, in dem man sich eine Pappscheibe mit dem Innendurchmesser der Feldblende des langbrennweitigsten Okulars ausschneidet. Bei 1¼"-Okularen (30 mm Brennweite) sind dies ca. 28 mm, bei 2"-Okularen (40 mm Brennweite) ca. 48 mm. Die Pappscheibe wird dann im Brennpunkt vor den Okularauszug zentrisch gelegt und man peilt mit dem Auge vom Rand des Innendurchmessers F zum gegenüberliegenden Rand des Okularauszugs (siehe Bild unten).

In diesem Fall ist deutlich erkennbar, dass man neben dem Tubus "ins Freie" gucken kann. Genau das sollte aber vermieden werden! Das Okular kann somit Falschlicht erhalten und das bedeutet Kontrastverlust. Als Abhilfe kann man den Tubus vorne verlängern (z.B. mit einer Taukappe) oder eine Blende B am vorderen Ende des Oklarauszugs platzieren (siehe Bild unten). Nun kann kein Falschlicht mehr das Okular erreichen.

Hierbei ist es egal, ob es sich nun um einen Gitterrohrtubus oder Volltus handelt. Beim Gitterrohrtubus muss eben eine entsprechende Rückwand angebracht werden. Wichtig ist auch, dass die Innenseite bzw. die Rückwand gut geschwärzt sein. Allerdings genügt es bei einem Blechtubus nicht, diesen nur mit mattschwarzer Farbe anzustreichen. Flach einfallendes Licht ist auf solch glatten Oberflächen immer noch hochreflektiv. Wesentlich besser ist es, wenn schwarzer Velours (z.B. dc-fix) eingeklebt wird.


Stathis blickt durch. Hier prüft er, ob Fremdlicht ans Okular dringen kann.

Als weiteres kann Falschlicht von der Rückseite - also zwischen Hauptspiegel und Tubuswand - eindringen. Empfehlenswert ist es, wenn auch dort eine Blende hinter den Hauptspiegel angebracht wird (siehe Bild oben). Die Rückseite ganz zu verschließen ist auch nicht ideal. Es sollte dort offen sein, um eine bessere Belüftung zu erreichen und der Spiegel somit auch schneller auskühlen kann.

Das Ermitteln der Maße einer 3-Punkt-, 9-Punkt- und 18-Punkt-Hauptspiegelhalterung

Selbstverständlich gibt es Formeln und PC-Programme, um die Maße einer Hauptspiegelhalterung zu berechnen. Man kann dies aber auch mit einfachen Mitteln durch Versuch selbst ermitteln.

Als ich die Hauptspiegelhalterung für das 8"-Newtonteleskop baute, stand ich vor der Frage, wie der Spiegel gelagert sein sollte. Mein Hauptspiegel ist 34 mm dick, bei einem Durchmesser von 203 mm ist dies ein Verhältnis 6:1. Ich erfuhr, dass ein solcher Spiegel genügend Steifigkeit für eine 3-Punkt-Lagerung hat. Die nächste Frage war, wie man die drei Auflagepunkte berechnet. Ich hatte dann die Idee, einfach ein Segment mit 120° aus Pappe auszuschneiden, um mit einer Zirkelspitze den Schwerpunkt s1 auszubalancieren. An der Hauptspiegelhalterung befestigte ich dann an diesen Stellen drei leicht ballig gedrehte Kunststoffscheiben (eine Korkscheibe hätte übrigens denselben Zweck erfüllt).

Wenn ein Spiegel ein Dickenverhältnis von 8:1 hat, ist eine 9-Punkt-Lagerung nötig. Auch hier können die Auflagepunkte durch Versuch ermittelt werden. Zuerst berechnet man die Fläche F1. Dies geschieht mit folgender Formel:
r · r · 3,14 : 3

Nun wird die Fläche F2 berechnet, die den dritten Teil von F1 beträgt. Die Flächen F3 und F4 haben somit dieselbe Fläche wie F2. Zeichnet man dies wie im Bild links auf Pappe und schneidet die Teile aus, kann wieder der Schwerpunkt s2, s3 und s4 mit Hilfe einer Zirkelspitze ermittelt werden.
Danach können drei Dreiecke - z.B. aus 6 oder 8 mm dickem Alublech - ausgeschnitten werden und an den Punkten s2, s3 und s4 Korkplättchen angeklebt werden. Die Dreiecke werden dann jeweils im Punkt s1 locker fixiert, so dass sie sich der Spiegelfläche angleichen können und der Spiegel gleichmäßig auf neun Punkten aufliegt. Damit sich die Dreiecke nicht verdrehen, können sie z.B. mit einer Schnur miteinander verzurrt sein.

Bei einem Dickenverhältnis von 10:1sollte der Spiegel eine 18-Punktauflage haben. Das Prinzip der 18-Punktauflage (Bild links) ist ähnlich aufgebaut und die Auflagepunkte können ebenfalls durch die oben beschriebene Methode bestimmt werden. Das Segment hat in diesem Fall statt einem Winkel von 120° eben einen solchen mit 60°.

Der Fangspiegel

Fangspiegel gibt es in verschiedenen Qualitäts- und Preisklassen. Hat man einen guten Hauptspiegel, sollte auch ein entsprechend guter Fangspiegel verwendet werden. Ist der Hauptspiegel von minderer Qualität, kann auch der beste Fangspiegel nichts verbessern.

Gelegentlich stellt sich die Frage, in wie weit der Fangspiegel die Bildqualität beeinflusst. Weiter oben war schon die Rede von der Obstruktion durch den Fangspiegel. Aber wie verhält sich das gesamte System, wenn z.B. ein Hauptspiegel mit 1/6λ und ein Fangspiegel derselben Qualitätsklasse eingebaut ist? Was bleibt von den 1/6λ des Hauptspiegels noch übrig?

Den Fehler eines Spiegels kann man grafisch auch als Winkelabweichung darstellen, hier mit α bezeichnet. Der Winkel α beträgt in der Zeichnung 6° (12° wären es bei 1/3λ). Das Ende des Kegels entspricht dem Brennpunkt und hat die Größe 1/6λ.
Nun wird der Strahl in der Mitte um 90° umgelenkt. Bei einer (theoretisch) perfekten Planfläche würde wieder ein Abbild von 1/6λ entstehen. Da jedoch nur ein Planspiegel mit 1/6 λ vorhanden ist, wird der Winkel um weitere 6° erweitert und so ergeben sich 12° (2α - blaue Strichlinie). Im Brennpunkt entsteht nun ein Bild mit 1/4λ.
Wird der Strahl näher am Brennpunkt um 90° umgelenkt, so entsteht durch den Umlenkspiegel mit 1/6λ ebenfalls wieder eine Ablenkung um 12°. Da aber die Strecke vom Umlenkspiegel zum Brennpunkt verkürzt ist, entsteht ein Bild mit nur 1/5λ. Somit lässt sich auch erklären, warum ein Umlenkspiegel nahe am Brennpunkt einen geringeren Bildfehler verursacht als ein solcher, der weit entfernt platziert ist.



Es ergibt sich folgende Näherungsformel:

λges. = λHauptspiegel + λFangpiegel · Abstand Fangspiegel/Brennpunkt : Brennweite Hauptspiegel

Rechenbeispiel:
        Brennweite Hauptspiegel = 1200 mm
        Abstand Fangspiegel/Brennpunkt = 180mm
        Hauptspiegel = 1/6λ = 0,166λ
        Fangspiegel = 1/6λ = 0,166λ

0,166λ + 0,166λ · 180mm : 1200mm = 0,166λ + 0,025λ = 0,19λ

Wird an diesem Teleskop nun ein nur halb so guter Fangspiegel mit 1/3λ eingebaut, so sieht die Rechnung folgendermaßen aus:

0,166λ + 0,333λ · 180mm : 1200mm = 0,166λ + 0,05λ = 0,22λ

Man hätte durchaus erwarten können, dass mit einem solchen Fangspiegel ein deutlich schlechteres Bild entsteht.
Beim ITV 2004 wurde uns eindrucksvoll vorgeführt, welchen Nutzen ein Lüfter direkt vor dem Hauptspiegel hat. Vor einem Hauptspiegel, der eine höhere Temperatur wie die Umgebung hat, steigt warme Luft auf. Diese Luftschlieren beeinträchtigen die Abbildungsqualität umso mehr, je größer die Temperaturdifferenz zwischen Spiegel und Umgebungsluft ist. Werden diese Luftschlieren nun mit einem Lüfter direkt abgesaugt und durch den Tubus nach außen geblasen, erhält man schlagartig ein besseres Bild im Okular. Das konnten wir gut beobachten, als der Lüfter ausgeschaltet war und nach einer halben Minute wieder eingeschaltet wurde.
Somit ist auch verständlich, dass aufsteigende Warmluft knapp vor dem Hauptspiegel das Bild so dramatisch verschlechtert - also um ein vielfaches mehr als, wie wenn dieselben Luftschlieren knapp vor dem Okular wären!

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