Das Spiegelfernrohr (Reflektor)        
Prinzip

Die Abbildung erfolgt durch Spiegel (Reflexion). Die Reflexion ist Wellenlängen unabhängig, das Bild eines Spiegelfernrohrs weist somit keine Farbfehler auf.

  Die wichtigsten Fernrohr Typen            

Das Newton-Teleskop

m Jahre 1672 konstruierte Isaac Newton ein erstes Exemplar des nach ihm benannten Typs.
Dieser Fernrohrtyp ist am meisten verbreitet und besteht aus einem parabolischen Hauptspiegel und einem ebenen Umlenkspiegel. Zur visuellen Beobachtung ist eine Abschattung des Fangspiegels unter 20% des Hauptspiegeldurchmessers anzustreben, um möglichst wenig Kontrastverlust zu haben. Das ist besonders bei einem visuell optimierten Newton-Teleskop zur Planetenbeobachtung von Bedeutung.
Der Hauptspiegel muss der jeweiligen Umgebungstemperatur angepasst sein, damit keine Luftturbulenzen im Fernrohrtubus entstehen. Besonders bei hohen Vergrößerungen ist ein ruhiges Bild nötig und warme (aufsteigende) Luft beeinflusst eben die Bildqualität. Ein dünner Spiegel kühlt schneller ab als ein Spiegel mit viel Masse. Allerdings ist bei dünnen Spiegeln eine aufwendigere Lagerung (9-Punkt statt 3-Punkt) erforderlich. Um einen möglichst ungehinderten Luftaustausch zu ermöglichen ist es günstig, wenn der Tubus hinten offen ist. Auch Lüfter wurden schon angebaut, um einen noch schnelleren Temperaturausgleich zu erreichen.

               
   
 

Der Schmidt-Cassegrain

Diese kompakt gehaltenen Teleskope sind weit verbreitet. Durch die Massenfertigung sind sie relativ günstig im Preis. In der Regel haben sie ein Öffnungsverhältnis von f/10. Der Strahlengang ist der eines Cassegrain-Spiegels mit einer Besonderheit.
Der Fangspiegel ist in der Mitte einer dünnen Glasscheibe (Schmidt-Platte) mittels einer Spiegelfassung als separates optisches Glied angebracht. Die Aufgabe dieser Korrektionsplatte ist es, die sphärische Aberration des Hauptspiegels zu beheben und die Koma des Gesamtsystems zu minimieren. Wegen der Verwendung von Spiegeln und  Linsen in einem Fernrohr, spricht man von einem katadioptrischen System. 
Dadurch, dass der Hauptspiegel einen großen Verstellweg hat, kann so ziemlich jedes Zubehörteil (z.B. Binoansatz) angeschlossen werden. Da über den Hauptspiegel fokussiert wird und dieser dabei leicht kippt, macht sich dies durch ein mehr oder weniger ausgeprägten Bildversatz bemerkbar. Durch die Schmidtplatte ist das Teleskop vorne geschlossen und es kann kein Staub in Innere gelangen. Das geschlossene System hat aber leider auch den Nachteil, dass ein Auskühlen relativ lange dauert. So lange kein Temperaturausgleich im Teleskopinnern geschaffen ist, strömt warme Luft im Tubus nach oben, kühlt an der dünnen Schmidtplatte ab und strömt wieder nach unten. Durch diese Luftverwirbelungen ergibt sich vor allem bei hoher Vergrößerung ein schlechteres Bild. Ein weiterer Nachteil für die visuelle Beobachtung ist die Abschattung des Fangspiegels mit knapp 40% des Spiegeldurchmessers, das einen gewissen Verlust des Kontrastes verursacht. Es ist eine Taukappe anzuraten, da die Schmidtplatte doch sehr tauempfindlich ist. Da durch diese Konstruktionen der Sekundärspiegel durch die Glasplatte gehalten wird und auf Streben verzichtet werden kann, sind an hellen Sternen keine "Spikes" sichtbar.
Dieses System findet oft Verwendung in Amateurgeräten mit kurzer Baulänge. (zum Beispiel bei Celestron oder Mead)

   
 
   

Der Gregory-Spiegel

Es ist ähnlich wie das Cassegrain-System aufgebaut, nur dass der Umlenkspiegel konkav geschliffen, und etwas weiter noch vorne gelegt ist. Die Bildfeldwölbung ist relativ hoch, die Bauweise im Vergleich zum Cassegrain recht lang. Der Vorteil des Gregory Systems im Vergleich zum Cassegrain liegt in seinem konkaven Sekundärspiegel, der deutlich einfacher herzustellen ist.  

 
             

Der Schiefspiegler

Durch die Anordnung der Spiegel ist keine Abschattung durch einen Fangspiegel vorhanden und ist deshalb wie ein Refraktor obstruktionsfrei. Wie die anderen Spiegelteleskope ist auch der Schiefspiegler ohne Farbfehler. Das Öffnungsverhältnis liegt üblicherweise bei f/20 und daher wird er in erster Linie zur Beobachtung heller Objekte wie Sonne, Mond und Planeten verwendet.

Um größere Gesichtsfelder für die Fotografie zu erhalten

Hypergraph

Ein Hypergraph-Teleskop ist ein Spielteleskop,  das ähnlich aufgebaut ist wie ein Cassegrain-Typ (parabolischer Primärspiegel, hyperbolischer Sekundärspiegel). Um die optische Qualität für die Fotografie zu erhöhen, wird beim Hypergraph wie beim Ritchey-Chrétien-Cassegrain-Teleskop (RC-Teleskop) in den Strahlengang an die Stelle des Fangspiegels (im Primärfokus) ein System von Korrektur-Linsen eingefügt, der so genannte Korrektor, zusammen mit einer Fotokamera.

Ritchey-Chrétien-Cassegrain-Teleskop (RC-Teleskop)

Das Ritchey-Chrétien-Cassegrain-Teleskop (auch RC-Teleskop genannt) ist ein Spielteleskop, dessen Bauform der des klassischen Cassegrain-Systems sehr ähnelt.
Das Ritchey-Chrétien-System wurde Anfang des 20. Jahrhunderts von George Willis Ritchey und Henry Chrétien entwickelt.
Es werden nur zwei Spiegel verwendet, deren spezielle Form jedoch dafür sorgt, dass ohne einen Korrektor, wie Schmidtplatte, Meniskuslinse oder eine andere Linse, eine komafreie Abbildung erreicht wird. Die beiden Spiegel haben Oberflächenkurven höherer Ordnung und sind dadurch problematisch bei Herstellung und Justage. Da allerdings das Bildfeld nicht eben ist, wird bei der fotografischen Verwendung großer Ritchey-Chrétien-Cassegrain-Teleskope dicht vor den Fokus ein Linsensystem gesetzt, das dieses Problem behebt.
Bekannte Ritchey-Chrétien-Teleskope sind zum Beispiel das Hubble Weltraumteleskop und das Very Large Telescope (VLT) desParanal-Observatoriums in Chile. Ab etwa 1980 wurden  fast alle Großteleskope als Ritchey-Chrétien-Systeme ausgelegt.

 
Strahlengänge optimiert, um schwere Messeinrichtungen ortsfest aufzustellen

Der Coudé-Fokus

Dieses aufwendige System, bei dem der Strahlengang in die Polachse ausgespielt wird, findet an Großteleskopen Verwendung. Die Polachse steht fest, sie ist auf den Himmelspol ausgerichtet. Hier können schwere Geräte, wie ein Spektrometer, eingesetzt werden

           
 
           

Der Nasmyth-Fokus

Das Nasmyth-Teleskop ist ein von James Nasmyth (1808–1890) entwickeltes Spiegelteleskop. Dabei handelt es sich um eine Kombination aus Newton- und Cassegrain-Teleskop. Hier wird der Strahlengang nicht wie beim Coudé-Fokus zur Polachse, sondern zur Deklinationsachse ausgespiegelt.
Es befindet sich beim Nasmyth-Teleskop kein Loch im Hauptspiegel, durch den das Licht austritt, sondern es wird vorher durch einen zur Mittelachse um 45° geneigten Planspiegel (Tertiärspiegel) rechtwinklig in die Deklinationsachse abgelenkt und tritt wie beim Newton-Spiegel seitlich aus (Nasmythfokus), optisch ist er identisch mit dem Cassegrainfokus.
Bei einer azimutalen Montierung (eine Achse senkrecht, die andere horizontal) liegt der Fokuspunkt an der Höhenachse und ist somit unabhängig von der Teleskopneigung. Deshalb kann dort eine feste Plattform für Beobachter oder schwere Analysegeräte gebaut werden

                 
 
Historisches                        
    Von Newton bis zur Erfindung der Beschichtung von Glasspiegeln wurden polierte Messingspiegel verwendet. Messing reflektiert Licht mit mehr Streulicht als eine Silberschicht auf Glas und liefert deswegen kontrastarme Bilder.
Deshalb wurde mit der Beschichtung von Glas mit Silber zusammen mit der gleichzeitig entwickelten foucaultsche Testmethode für Spiegeloptiken, die Voraussetzung geschaffen, Spiegelteleskope mit höchster optischer Güte zu bauen. Der Kontrast war nun höher als bei Metallspiegeln.  Die Öffnung war jetzt auch nicht mehr durch Halterungsprobleme des Objektivs begrenzt, denn der Spiegel kann auf seiner Rückseite gelagert werden. (eine Linse nur am Rand)
Den Durchbruch hierfür stellt der 1908 gebaute und 1909 in Betrieb genommene 60´´ Spiegelteleskop auf dem Mt. Wilson (Kalifornien) dar, das alle grundlegenden Eigenschaften moderner Spiegelteleskope aufwies.
   

Metallspiegel von Isaac Newton 1670

Da Newton überzeugt war, dass der Farbfehler prinzipiell bei Linsenfernrohren nicht korrigierbar ist, suchte er einen neuen Weg, kompakte Teleskope zu bauen. Er entwickelte 1673 ein Spiegelsystem, das mit Newton-Spiegel nach Ihm benannt ist.
Die Oberfläche der Metallspiegel war zwar poliert, aber trotzdem so rau, dass das Streulicht den Kontrast des Bildes stark verringerte.

Silberschicht auf Glas 1880

In der 2. Hälfte des 19. Jahrhunderts wurden viele Rezepte zum Versilbern von Glasspiegeln entwickelt. Das wichtigste  Rezept ist wohl das von Brashear aus dem Jahre 1880.
Nachdem man die Beschichtung von Glasspiegeln beherrschte, konnte man Spiegeloptiken mit hoher Reflektion und hohem Kontrast herstellen. Grundlage dafür war, neben dem Versilbern, die foucaultsche Testmethode, die es den Spiegelschleifern in der Werkstatt erlaubte, die Spiegel mit höchster Genauigkeit zu analysieren und zu korrigieren. Damit wurde es möglich, Spiegeloptiken mit höchster Reflektion und damit kontrastreichen Bildern herzustellen

Hale Spiegel 1908

1,5 m Spiegel auf dem Mount Wilson
Das von George Willis Ritchey selbst konstruierte 60-Zoll Teleskop war ein Meilenstein für alle nachfolgenden Spiegelteleskope. Die von ihm gefertigte Optik wies schon drei verschiedene Fokuslagen auf:

  • Primärfokus (Newton) 7,62 Meter Brennweite
  • Cassegrain mit Nasmyth-Fokfokus 30,5 Meter Brennweite
  • Cassegrain mit Coudé-Fokus, 39,2 Meter Brennweite  

Die verwendete Gabelmontierung erlaubt mit dem Coudé-Fokus den Einsatz von schweren Spektrographen.

 
       

Hooker Spiegel 1917

2,5 m Spiegel auf dem Mount Wilson
Beobachtungen mit diesem Teleskop bildeten die Grundlage für wichtige Erkenntnisse in der Astronomie: Die erste Galaxie wurde in Einzelsterne aufgelöst,  Russell fand die Klassifikation der Sterne und Hubble stellte die Rotverschiebung der Galaxien fest.  

 
     

Hale Teleskop 1947

5 m Spiegel auf dem Mount Paloma, er war das größte Spielteleskop der Welt, bis es 1975 von 6 m Spiegel in Zelenchuk abgelöst wurde. Es ist noch heute das größte parallaktisch montierte Teleskop der Welt.
Bei den Beobachtungen mit dem Hooker-Teleskop stellte man fest, dass ein Spiegel dieser Größe eine Temperaturaudehnung besitzt, die die Bildqualität verschlechtert. Deshalb verwendet man für das Hale-Teleskop einen Spiegel aus PYREX, das einen  niedrigen Ausdehnungskoeffizienten besitzt und schon 1915 von der US-Firma Corning eingeführt wurde. Der Hooker Spiegel  ist das erste Großteleskop, bei dem Spiegelmaterial mit geringem Ausdehnungskoeffizienten verwendet wurde.

Einführung der Glaskeramik 1950

Das Material des Spiegels wurde immer weiter verbessert, vom Metall zum verspiegeltem Glas wurde der Kontrast höher. Jetzt blieb noch das Problem der Ausdehnung des Spiegels bei Temperaturerhöhung. Dadurch verändern sich optische Eigenschaften, wie die Lage des Brennpunkts, die Korrektur, usw.
In den fünfziger Jahren wurde die Entwicklung der Glaskeramik vorangetrieben. Es entstanden in den USA CER-VIT, in der Bundesrepublik ZERODUR und in der UdSSR SITALL. Alle diese Glaskeramikstoffe hatten keine Temperaturausdehnung im verwendeten Temperaturbereich. Die Glaskeramik unterscheidet sich von Keramiken durch völlige Porenlosigkeit. Dadurch ließ sich eine glatte Oberfläche polieren.
Die ersten Großteleskope mit Glaskeramikspiegel hatten Spiegeldurchmesser von 3,5 bis 4 Meter und wurden in den sechsziger- und  siebziger Jahren fertig gestellt.

   

Selentschuk 1977

6 m Spiegel in Selentschuk im Kaukasus.
Es war das erste Großteleskop, das auf einer äquatorialen Montierung gebaut wurde. Bei der azimutalen Montierung steht eine Achse senkrecht zur Erdoberfläche, die andere horizontal. Diese Art von Montierungen musste bei dem 6-Meter-Teleskop verwendet werden, da die bewegten Massen 900 Tonnen betragen und dies für eine parallaktische Montierung zu aufwendig ist.
Ein Fernrohr muss mit der azimutalen Montierung um zwei Achsen bewegt werden, um ein Himmelsobjekt nachzuführen. Nur an Pol (senkrechte Achse) und Äquator (horizontale Achse) muss das Teleskop nur um eine Achse nachgeführt werden. Gleichzeitig dreht sich das Bildfeld während des Nachführens. Diese Bildfelddrehung ist von der Deklination des Objektes abhängig und muss ebenfalls nachgeführt werden.
Voraussetzung war dafür, dass man die Computer gesteuerte Nachführung um drei Achsen beherrschte.

aktive Optik für Spiegeloberfläche 1989

Um Kosten und Aufwand beim Bau eines Teleskops klein zu halten, werden sehr dünne Spiegel angestrebt. Die Verformung des Spiegels in verschiedenen Lagen ist jedoch so groß, dass die optische Oberfläche nicht erhalten bleibt. Deshalb wird der Spiegel auf Stempel gelagert, die der Verformung entgegen wirken.
Diese Technologie ist die Voraussetzung für den Bau von Teleskopen mit einem Spiegel von über 6 Meter Durchmesser. Die Vorteile sind

  • Geringes Gewicht
  • Kleine thermische Masse, d.h. schnelles Anpassen an die Nachttemperatur
  • Kleinere mechanische Strukturen (Tubus, Montierung) und damit kostengünstig

adaptive Optik zum Ausgleich der Luftunruhe 1998

Ein Teleskop sammelt das Licht eines astronomischen Objekts (z.B. Saturn). Die von der Atmosphäre durch optische Turbulenz gestörten Lichtwellen werden von einem deformierbaren Spiegel geglättet und an die hochauflösende Kamera als korrigierte Lichtwellen reflektiert. Dazu werden die von einem Wellenfrontsensor in Echtzeit gemessenen optischen Störungen in einem Echtzeitcomputer verarbeitet und in einer Regelschleife in entsprechende Signale für den deformierbaren Spiegel umgerechnet.
Der Wellenfrontsensor kann zur Bestimmung der optischen Störungen entweder das Licht vom Beobachtungsobjekt analysieren, einen geeigneten Leitstern in der Nähe des Beobachtungsobjekts analysieren oder das Licht eines künstlichen Laserleitstern zur Analyse verwenden.
Durchlaufen die Lichtstrahlen von Leitstern und Beobachtungsobjekt in etwa die gleiche Atmosphäre, so erhält man eine gute optische Korrektur für beide Objekte.
Auch älter Teleskope, die noch einen dicken Spiegel haben, können auf aktive Optik nachgerüstet werden. Es wird lediglich eine Glasplatte in den Strahlengang eingefügt, die dann entsprechend verändert wird.

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