Hein Guck-In-Die-Luft

Herstellung einer optischen Planfläche

 
 
Fleutjepiepen Hautseite

 

 

 

Mittwoch 14.1.2004: Die Herstellung eines Planspiegels gilt gemeinhin als außerordentlich schwierig. Viele Selbstbauer  verzichten deshalb lieber darauf und kaufen sich einen fertigen Fangspiegel um ihren selbst geschliffenen Hauptspiegel zu einen Newton Teleskop zusammen zu bauen. Angeregt durch verschiedene Diskussionen auf www.astrtreff.de wuchs bei mir dann aber die Neugier auf den Herstellungsprozess und die unterschiedlichen verwendeten Messmethoden. Ich möchte es wenigstens einmal versuchen.

Um die Kosten für meinen Versuch niedrig zu halten, werde ich in der ersten Version kein Spezialglas verwenden, sondern normales Fensterglas nehmen. Sollte es tatsächlich gelingen kann ich später immer noch einen zweiten Versuch mit qualitativ hochwertigerem Glas unternehmen. Probehalber schnitt also ich aus einer vorhandenen 6mm Fensterglas Scheibe, die früher schon jahrelang ihren Dienst in unserem Kuhstall verrichtet hatte, zwei Probestücke heraus und unterzog sie einem Test auf Verspannungen.

Eine Möglichkeit Glas auf innere Verspannungen zu prüfen besteht darin, es vor polarisiertem Licht aufzustellen und es dann durch ein Polfilter zu betrachten. Bei diesem Versuch dürfen im Glas keine Unregelmäßigkeiten sichtbar werden. Als Lichtquelle für polarisiertes Licht verwendete ich einen LCD-Monitor, der mit Hilfe dieses Programms ein vollständig weißes Bild zeigte. Beide Glaser zeigten bei diem Test keine Auffälligkeiten. Das Licht vom Monitor konnte durch Drehen des Polfilters vollständig unterdrückt werden. Während des Drehens nahm die Lichtintensität durch das Glas in gleicher Weise ab, wie bei direkter sicht auf den Monitor. (Der Monitor im Bild links ist übrigens an :-)

In einem weiteren Test prüfte ich die beiden Scheiben gegeneinander auf Planarität. Dafür verwendete ich den sogenannten Fringe-Test. Zunächst wurden die beiden Testkandidaten peinlich genau gesäubert und anschließend unter monochromatischem Licht begutachtet. Da mir keine spezielle monochromatische Lichtquelle zur Verfügung steht musste eine ganz normale Energiesparlampe dafür herhalten, was nach etwas Probieren aber ganz gut funktionierte. Auch ein weiterer Test mit dem Licht eines Laserpointers, dass zunächst durch ein Stück Butterbrotpapier  diffus gestreut wurde, funktionierte zufriedenstellend. Die beiden günstigsten Flächen zeigten eine Abweichung von 4 Streifen. Wenn ich mich nicht irre entspricht ein Streifen einem Abstand von einer halben Wellenlänge, also kann ich davon ausgehen, dass der Fehler bei weniger als 2/1000 mm liegt.

Freitag 16.1.2004: Mein Entschluss steht! Ich werde drei kleinere Scheiben aus diesem Stallfenster zu Planplatten verarbeiten und aus diesen dann später mehrere Fangspiegel und einen Zenitspiegel heraus schneiden. Die Beste der drei Scheiben werde ich als Referenzfläche für spätere Projekte behalten.

Eines der gängigen Verfahren zur Herstellung von Planflächen mit Amateurmitteln sieht vor, drei Rohlinge so lange immer wieder gegeneinander zu schleifen, bis sie die einzig mögliche gemeinsame Form angenommen haben - eine Planfläche. Anschließend werden die drei Scheiben poliert und gegeneinander getestet. Siehe dazu z.B. in "Amateur Telescope Making" Band 2, Seite 98ff (Fred B. Ferson) und im selben Band Seite 113ff (Horace H. Selby).

Heute Abend habe ich mir also zunächst einen Lochbohrer gebaut und mit Carbo 80 auf der Standbohrmaschine einen ersten Rohling ausgeschnitten. Der Durchmesser des Lochbohrers ist eher zufällig gewählt, weil ich gerade eine entsprechende Scheibe aus Multiplex herum liegen hatte. Die Scheibe hat einen Durchmesser von 165 mm. Schon beim Schleifen meines 6zöllers hatte ich bemerkt, dass die 152mm Durchmesser für mich das absolute Minimum darstellen. Kleinere Tools kann ich nicht sicher greifen. Deshalb hätte ich die Planspiegel lieber noch größer gemacht, aber ich möchte es beim ersten Mal auch nicht übertreiben. Auch das Dickenverhältnis (165/6 = 27.5) ist schon gewagt genug. Andererseits werde ich mir hier keine Sorgen um einen abgefallenen Rand machen müssen, weil ich mir für die später optisch wirksamen Flächen die Sahnestücken aus diesen Torten herausschneiden kann.

Eine Messung des Rohlings mit dem Sphärometer ergab einen Unterschied zwischen Vorder- und Rückseite von knapp 2/1000 mm. Dieser Unterschied ist über die gesamte Fläche der beiden Seiten reproduzierbar zu messen. Das bedeutet, eine Seite ist konkaver Kugelausschnitt mit einer Brennweite von ca. zwei Kilometer, die andere Seite ist konvex.

Sonnabend 17.1.2004: Eben habe ich wie geplant zwei weitere Rohlinge ausgesägt. Anschließend wurden die Ränder der Rohlinge sorgfältig glatt geschliffen und mit einer Phase versehen. Die Messung mit dem Sphärometer ergab annähernd die selben Ergebnisse wie schon beim ersten Rohling. Der Test auf Verspannungen verlief wiederum ohne Befund.

Die Gläser bekommen die Buchstaben A, B und C, dei beiden Flächen jedes Rohlings wurde zusätzlich mit jeweils einer Zahl (1,2) bezeichnet. Die konvexen Seiten haben jetzt also die Bezeichnung A1, B1 und C1, die konkaven Seiten heißen entsprechend A2, B2, C2. Da ich zunächst alle sechs Flächen der Rohlinge vorsichtig plan schleifen möchte darf ich mit den verschiedenen Flächen nicht mehr durcheinander kommen. Hier der vorgesehene Schleifplan:

Zunächst werden alle konkaven Flächen gegen alle konkaven Flächen der anderen Rohlinge geschliffen

A2/B2, A2/C2 B2/A2, B2/C2, C2/A2, C2/B2 (die erste Angabe entspricht immer dem unten liegenden Rohling):

dann alle konvexen Flächen gegen die konvexen Flächen der anderen Rohlinge

A1/B1, A1/C1 B1/A1, B1/C1, C1/A1, C1/B1 

zuletzt alle konkaven Flächen gegen alle konvexen Flächen der anderen Rohlinge

A1/B2, A1/C2 B1/A2, B1/C2, C1/A2, C1/B2
A2/B1, A2/C1 B2/A1, B2/C1, C2/A1, C2/B1

Das sieht zwar irgendwie alles etwas wirr aus, aber so einen Plan werde ich mir ausdrucken und immer schön abhaken, wo ich gerade bin. Diesen Ablauf werde ich so lange wiederholen, bis mit dem Sphärometer bei keinem der Rohlinge mehr eine Kurve nachweisbar ist. Nach etwas hin und her habe ich mich entschlossen den Feinschliff bei AlOx 9my zu beginnen. Die Rohlinge weisen zwar ein paar oberflächliche Kratzer auf, ich sollte sie aber - ebenso wie die Kurve - mit dieser Korngröße in den Griff bekommen.

Dienstag 20.1.2004: Habe sicherheitshalber noch einmal im Forum nachgefragt, ob ich irgendwo wichtige Dinge übersehen habe.

Donnerstag 22.1.2004: Schleiftisch, Schleifmittel, Sprühflasche, Wanne, Sphärometer etc. vorbereitet.

Im oben genannten Diskussionsfaden äußert "Amateurastronom" Bedenken bezüglich meiner geplanten Schleifsequenz:

Bedenken habe ich jedoch gegen Deine Schleifsequenz.
Normalerweise schleift man Scheibe 1 auf 2, dann 2 auf 3 und
dann 3 auf 1. Das wiederholt man immer wieder, bis alle
3 Scheiben plan sind. Andere Schleifanweisungen (a la Wenske etc.)
führen ganz schnell zu Kugelflächen mit 20-100 m Krümmungsradius.

Da mir dieser Einwand berechtigt zu sein scheint, ändere ich die geplante Schleifsequenz folgendermaßen radikal ab:

Zunächst B1/A1, C1/B1, A1/B1 bis die konkaven Flächen vollkommen plan sind.
Anschließend B2/A2, C2/B2, A2/C2 um auch die konvexen Flächen plan zu bekommen.. 

Insgesamt 5 Runden der ersten Sequenz mit AlOx 9my geschliffen (ca.1/3 Striche COC mit viel Chaos, zunächst 5 Minuten je Charge,  zuletzt bis zu 10 Minuten je Charge). Zunächst bocken die Rohlinge so stark, dass an vernünftiges Schleifen gar nicht zu denken ist. Nach der ersten Runde war etwa ein drittel der Fläche aller Scheiben von außen her angeraut. Schon die zweite Runde ging sehr viel besser. In der Mitte war jedoch immer noch eine Luftblase von ca. 30mm Durchmesser vorhanden. Nach der vierten Runde waren alle Flächen durchgehend bis zur Mitte durchgeschliffen. Leider gab es immer wieder etwas holprige Phasen bei A1/C1. In der letzten Runde sind mir die beiden Scheiben jetzt zusammengeklebt. Zum Glück ließen sie sich in abwechselnd warmen und kalten Wasserbädern wieder von einander trennen. Beim nächsten Mal werde ich den Schliff also bei A1/C1 fortsetzen.

Freitag 23.1.2004: Zwei weitere Sequenzen  mit AlOx 9my geschliffen. Alle Oberflächen jetzt gleichmäßig matt, C1 zeigt einen auffälligen kleinen tiefen Pit, den ich einfach ignorieren werde, ansonsten keine Kratzer oder auffällige Pits mehr zu erkennen. Beginne jetzt die anderen Seiten zu schleifen. Da ich Bedenken habe, dass ich die Seiten verwechseln könnte eine kurze Beschreibung (sollte ich so etwas noch einmal machen werde ich die Rohlinge beim Anfasen eindeutig markieren):

A1: etwa ein Viertel Umfang mit breiterer Fase, genau gegenüber 2 kleine Muschelbrüche
A2: keine Auffälligkeiten
B1: etwa ein Sechstel Umfang mit breiterer Fase, gegenüber etwas im Uhrzeigersinn versetzt ein kleiner Muschelbrüch
B2: keine Auffälligkeiten
C1: auffälliger tiefer Pit
C2: genau gegenüber des Pit am Rand zwei sehr kleine Muschelbrüche

Konvexe Flächen sechs Zyklen geschliffen wie oben. Auch am Anfang kaum Bocken, offenbar weil sich die beiden "Berge" nicht so aneinander festsaugen. Der angeraute Bereich entwickelte sich von der Mitte her. Inzwischen sind die Seiten gleichmäßig rau. Anschließend jeweils zwei weitere Zyklen mit AlOx 5my.

Samstag 24.1.2004: Neue Pechhaut auf das alte Werkzeug des 10zöllers gegossen. Mehrmals mit einer großen Feinsteinzeug-Fliese warm gepresst. Mit der gleichen Fliese und Gaze kalt gepresst.

Montag 26.1.2004: Vorsichtig alle Flächen jeweils 10 Minuten anpoliert. Die Pechhaut passt nicht gut, bockt sehr stark.

Anschließend war bei allen Flächen mehr oder weniger gut ein Fringe-Test (Newton Interferometer Test, Test Plate Methode) möglich. Erstaunlicher Weise findet sich schon jetzt auf fast allen Flächen ein Bereich, der größer ist als ich ihn für die Fangspiegel brauche, in dem die Streifen so gerade verlaufen, dass sie nach vorsichtiger Schätzung besser sein müssten als Lambda/2. 

Sonnabend 31.1.2004: insgesamt ca. 5 Stunden Poliert. Zunächst war bei allen Scheiben ein deutlicher abgefallener Randbereich zu beobachten, zum Schluss verteilte sich dieser mehr über die ganze Fläche und es entwickelte sich eine leicht konvexe Sphäre. Da noch keine der Scheiben auspoliert ist. korrigiere ich die Fehler nur sehr vorsichtig und achte zunächst vor Allem auf einen genauen Sitz der Pechhaut

Mittwoch 4.2.2004: Ein paar Tage Pause um das weitere Vorgehen zu überdenken.

Da der Fringe-Test jetzt gut durchführbar ist habe ich mich bei jeder der Scheiben auf eine Seite festgelegt, die auspoliert werden soll. Der Interferenz-Test zeigt bei allen Kombinationen der Scheiben einen auffallenden abgesunkenen Randbereich und ansonsten eine leichte und weitgehend weitgehend zonenfreie konvexe Form. Hier die Ergebnisse im Einzelnen (die äußeren 10mm sind bei allen Kombinationen um mehr als 8 Fringes abgefallen und gehen nicht in diese Betrachtung ein):

A gegen B: 4,5 Fringes
A gegen C: 8 Fringes
B gegen C: 2 Fringes

Daraus ergibt sich rechnerisch folgender Fehler für die einzelnen Scheiben:

A ist 4,75 Fringes konvex
B ist 0,25 Fringes konkav
C ist 3,25 Fringes konvex

Nachtrag: Alois Ortner hat mich gerade darauf aufmerksam gemacht, dass diese Berechnung nicht stimmt. Vermutlich handelt es sich um einen Schreibfehler (B gegen C: 3  Fringes). Es könnte sich aber auch um einen Rechenfehler handeln, dann währe das Ergebnis A=5.25, B=-0.75, C=2.75

Planung für die nächste Polieraktion:

Scheibe A 30 Minuten polieren, W-Striche mit 1/3 seitlichem Überhang, zwischenzeitlich auch mit etwas Druck

Seit gestern geistert eine weitere Idee in meinem Kopf herum. Mit FigureXP habe ich ausgerechnet, dass der Spiegel meines alten 114/900 gerade noch so eben beugungsbegrenzt währe, wenn er nicht parabolisiert ist. Möglicherweise habe ich Glück und Celestron hat wirklich "vergessen" ihn zu parabolisieren, dann könnte ich diesen Spiegel für den Ritchey-Common-Test verwenden.

Donnerstag 5.2.2004: Nach einer Anweisung, an deren Herkunft ich mich leider nicht mehr erinnern kann, habe ich die Pechhaut kurz in warmen Wasser angewärmt, um sie beim Polieren etwas besser in Form zu bringen. Dann die Scheibe A 30 Minuten lang wie vorgesehen poliert.

Im Prinzip ist diese Rechnerei mit drei Gleichungen und drei Unbekannten ja noch so eben im Kopf machbar, trotzdem habe ich mir ein kleines Programm für dieses Problem geschrieben um mir die Sache zu erleichtern und beschleunigen. Man gibt einfach die drei Ergebnisse der drei Interferenz-Tests ein und schon hat man ein Ergebnis. Bei Interesse kann man sich das Programm hier herunterladen.

A: 0.5 konkav
B: 0.5 konkav
C: 3.5 konvex

30 Minuten scheint etwas lange gewesen zu sein, ansonsten kann sich das Ergebnis sehen lassen. Das Anwärmen der Pechhaut erschien mir zunächst sehr gewagt, es scheint ihr aber gut getan zu haben. Es ist keinerlei Ruckeln mehr vorhanden.

Planung für die nächste Polieraktion:

Scheibe C 30 Minuten polieren, W-Striche mit 1/3 seitlichem Überhang, zwischenzeitlich auch mit etwas Druck Zum Ende hin zunehmend COC und wenig Druck.

Scheibe C 30 Minuten poliert wie oben beschrieben. Scheibe B 30 Minuten poliert, mehr COC weniger Überhang.

Freitag 6.2.2004: Scheibe C ist schon recht gut durchpoliert, etwa Kafalis-Skala 7 bis 8. Die anderen beiden sind noch etwa bei Stufe 5 bis 6.

Scheibe C noch zwei mal 30 Minuten poliert wie oben beschrieben (jetzt Kafalis-Skala 8). Bei C ist der Rand deutlich besser geworden. Leider verteilt sich der Rand immer noch in die Mitte hinein, sodass diese weiter leicht konvex bleibt. Ansonsten sind bei diesem Test  nirgends (außer natürlich am Rand) ungewöhnliche Zonen erkennbar.

Die Mitte exklusive der äußeren 20mm:
A: 0.0 plan
B: 0.5 konvex
C: 1.0 konvex

Der Randbereich (ca. 20mm)
A: 3.5 konvex
B: 4.5 konvex
C: 0.5 konvex

Sonnabend 7.2.2004: Inzwischen habe ich nachgemessen - der Spiegel meines 114/900 Celestron Teleskops ist eine sehr gute Sphäre. Deshalb habe ich auf dem Küchentisch einmal einen Ritchey-Common-Test aufgebaut und Scheibe C einem Test an der Messerschneide unterzogen. Sowohl der abgesunkene Randbereich als auch die konvexe Kurve sind zu erkennen, exakte Messungen sind aber völlig ausgeschlossen, weil sich 4(!) Foucaultbilder überlagern. Zunächst muss ich also Maßnahmen treffen, die Reflektionen an der Rückseite der Scheibe zu vermindern.

Kurt Schreckling rät dazu die Rückseite dick mit schwarzem Lack einzustreichen um die Reflektion von dort zu verhindern - werde das ausprobieren, wenn ich im Interferenz-Test nichts mehr sehen kann. Evtl. versuche ich es vorher schon mal mit einem Edding.

Scheibe C einmal und Scheibe B zweimal 30 Minuten poliert. Betonung auf die Mitte um den Rand etwas näher heran zu holen.

Sonntag 8.2.2004: Messung:

A: 0.125 konkav (Kafalis-Skala 6)
B: 0.125 konvex (Kafalis-Skala 7)
C: 0.375 konkav (Kafalis-Skala 8)

Da das alles recht eben aussieht, habe ich dieses Mal auf ein Viertel Ring genau abgelesen (0, -0.5,-0.25). Deshalb die ungeraden Ergebnisse. Der Rand ist weiterhin schlecht, verbessert sich aber etwas.

Sonnabend 14.2.2004: In den letzten Tagen habe ich immer mal wieder poliert:

Scheibe C 30 Minuten mit Betonung auf die Mitte
Scheibe C 30 Minuten neutral
Scheibe B 30 Minuten mit leichter Betonung auf die Mitte
Scheibe B 30 Minuten neutral
Scheibe C 15 Minuten COC ohne Druck
Scheibe B 15 Minuten COC ohne Druck

Ergebnis:

A: 0.25 konkav (Kafalis-Skala 6)
B: 0.0 plan (Kafalis-Skala 9/10)
C: 0.0 plan (Kafalis-Skala 10, auspoliert)

Gut, das soll zunächst mal reichen. Da ich erwarte, dass sich die Platten beim Ausbohren der Fangspiegel noch etwas verwerfen werden (u.a.  wg. des Twyman Effekts?), werde ich jetzt zunächst zum Testen aus der Mitte der Platte A einen ca. 50mm Fangspiegel ausschneiden.

Sonnabend 21.2.2004: In der letzten Woche habe ich mir einen weiteren Lochbohrer mit 48mm Durchmesser und einer Länge von ca. 140mm gebastelt. Außerdem habe ich die Scheibe A in einem Holzkasten in einem Winkel von 45° in Gips eingegossen, um einen ovalen Fangspiegel aus der Mitte der Scheibe auszubohren.

Heute habe ich mich nun endlich getraut den ersten Versuch zu starten. Im Großen und Ganzen hat die Aktion ganz gut funktioniert, aber der Rohling hat auf der Rückseite einen kleineren Muschelsprung abbekommen. Ganz am Ende beim Durchstoß des Bohrers durch die Scheibe hat sich leider auch noch die Gipssäule von der Scheibe gelöst und einen kleinen Kratzer auf der Vorderseite hinterlassen. Da die umschließende Kiste immer bis zum Rand mit Wasser gefüllt war und ich sehr langsam und mit Unterbrechungen gebohrt habe, gab es offenbar keine Probleme mit übermäßig großer Erwärmung. Überraschender Weise hat sich die Scheibe nicht im Geringsten verzogen. Ein Interferenztest mit meiner neuen Leitz  Planglasplatte ergab vollkommen gerade Linien. Da die Scheibe A sowieso noch nicht auspoliert war möchte ich an diesem Stück nun die abschließende Korrektur üben.

Nachdem ich den Rest der Scheibe von den über vier kg Gips befreit habe, werde ich mal versuchen einen rechteckiges Stück für einen Zenitspiegel auszubrechen.

Dienstag 24.2.2004: Der Ritchey-Common-Test zeigt, dass das ausgesägte Stück ganz leicht konkav ist. Schnittweitendifferenzen sind aber kaum messbar. Für die Korrektur werde ich mir ein Subdiameter-Tool mit einem Durchmesser von ca. 35mm basteln :-)

Sonnabend 28.2.2004: Kleine 40mm Pechhaut hergestellt, warm gepresst, mit der Rasierklinge die Oberfläche angeraut, mit Gaze dazwischen kalt gepresst.

Sonntag 29.2.2004: In insgesamt 6 Zyklen aus kalt Pressen, kurzem Polieren mit dem kleinen Tool, kurzem Polieren auf dem großen Tool und anschließendem Ritchey-Common-Test konnte der Spiegel letztendlich so weit in die gewünschte Form gebracht werden, dass kein Fehler mehr sichtbar ist.

März 2005: Nachdem in den einschlägigen Diskussionsforen zunehmend immer wildere Testmethoden für Planspiegel diskutiert werden hier noch ein kleiner Nachtrag zum Ritchey-Common-Test: Bei diesem Test handelt es sich um einen Foucault-Test gegen eine bekannt gute Sphäre, wobei der Prüfling in den Strahlengang gebracht, und beim Test zwei mal passiert (doppelte Genauigkeit) wird. Dieser Test ist extrem sensibel! In der Literatur wird seine Sensibilität mit Lambda/20 oder sogar  Lambda/50 angegeben. Bei diesem Test benötigt man weder ein Ronchigitter noch Kompensationslinsen oder gar ein Interferometer sondern lediglich einen Foucault-Tester und einen guten sphärischen Spiegel! 

 

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