Foucault Test (Praxis)

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Unter Einsteigern hat der Foucault Test einen fast mystischen Ruf. Erst nachdem man selbst ein paar mal den sagenumwobenen Foucault Schatten gesehen hat, merkt man, dass dieser Test eigentlich ganz einfach durchgeführt werden kann. Als Grundlage solltest du zunächst den Artikel Foucault Test (Theorie) lesen. Für englischsprachige Leser empfehle ich außerdem den exzellenten Artikel Understanding Foucault von David Anthony Harbour.

Inhaltsverzeichnis

Was wird benötigt um den Foucault Test durchzuführen?

Spiegel

Natürlich braucht man einen polierten Spiegel. Viele Spiegelschleifer beginnen schon nach wenigen Strichen mit Pechhaut und Poliermittel ihren Spiegel einem eingehenden Foucault Test zu unterziehen. Allerdings sollten man bei vorhandenen Fehlern nur sehr vorsichtig gegensteuern, weil die Gefahr besteht sich Zonen einzuhandeln. Wie Stathis Kafalis so schön sagt, zunächst ist es wichtig Kilometer zu machen. Eine hervorragende Parabel nützt zu diesem Zeitpunkt noch gar nichts, weil der Spiegel noch gar nicht auspoliert ist.

Test Stand

Um den Spiegel zum Testen sicher aufstellen zu können benötigt man einen stabilen justierbaren Test Stand. Links zu Anleitungen zum Selbstbau einer solchen Spiegelhalterung finden sich im entsprechenden Artikel.

Couder Maske oder Everest Pinstick

Wenn du nur testen möchtest, ob dein Spiegel sphärisch ist, braucht du noch keine Maske. Diese wird erst später bei der Zonenmessung benötigt.

Um die einzelnen Zonen des Spiegels besser unterscheiden zu können müssen sie markiert werden. Die Meinungen darüber, ob der Foucault Test leichter mit einer Couder Maske oder Everest Pin Stick durchgeführt werden kann, gehen etwas auseinander. Anfängern ist aber wohl eher zur Couder Maske zu raten.

Foucault-Tester

Der Foucault Tester ist ein Messgerät, mit dem es möglich ist Ungenauigkeiten auf der Oberfläche einer Optik zu erkennen, die sich im Bereich von wenigen Nanometern bewegen - man beachte, ein Nanometer bedeutet ein Milliardstel Meter! Einen solchen Tester soll man selbst bauen können? Ja, man kann! Im Artikel Foucault Tester findest du einige Links zu funktionierenden Testern.

Räumlichkeiten

Zum Testen eines Spiegels benötigt man einen Raum, der mindestens einen Meter länger ist als die doppelte Brennweite des zu testenden Spiegels. Bei einem 10" f/6 Spiegel sind das also mindestens 4 Meter. In diesem Raum soll es möglichst wenige Luftturbulenzen geben. Der Foucault-Test funktioniert auch bei Tagslicht, besser ist es aber wenn man den avisierten Raum etwas abdunkeln kann. Eine weitere Forderung an den Raum ist, dass sein Boden stabil ist. Bedenke - wir wollen Schnittweitendifferenzen im Bereich von weniger als 1/10 mm messen Da macht es schon etwas aus, wenn der Boden sich durchbiegt, weil man einmal die Kaffeetasse anders abstellt als gewohnt. Viele Altbauten neigen leider sehr zu einem solchen Verhalten

Ruhe

Genau so wichtig wie die bisherigen Voraussetzungen ist Ruhe, Ruhe, Ruhe. Dieses betrifft natürlich zum Einen den Gemütszustand des Testers. Zum Anderen sollte man darauf achten, dass man beim Testen nicht gestört wird. Ständiges Öffnen der Türen oder Herumlaufen von Leuten bringen die Luft in der Testumgebung in Bewegung. Dadurch wird der Test nachhaltig gestört. Auch wenn man es eilig hat sollte man immer mindestens zwei Messungen vornehmen. Bei Unsicheren Ergebnissen (z.B. große Unterschiede zwischen den Messungen) sollte man sich die Zeit für eine weitere Messung nehmen.

Notizblock, Bleistift, Computer

Bei der Zonenmessung benötigt man zum Notieren der Ergebnisse ein Logbuch und einen Bleistift. Wer die Werte nicht von Hand auswerten möchte, benötigt zusätzlich einen Computer mit einer entsprechenden Software.

Wie funktioniert dieser Foucault Test nun noch mal?

Kurze Wiederholung des Artikels Foucault Test (Theorie) : Wenn man im Kugelzentrum eines sphärischen Spiegls eine Punktlichtquelle aufstellt, so wird deren Licht vom Spiegel reflektiert und wieder genau in einem Punkt im Kugelzentrum vereint. Führt man nun an diesem Punkt eine Messerscheide in den Strahlengang, so wird das Bild "schlagartig" abdunkeln, wenn der Vereinigungspunkt überschritten wird. Bleiben Teile des Spiegels hell, oder dunkeln Teile des Spiegels früher ab, so müssen diese Stellen des Spiegels fehlerhaft (nicht sphärisch) sein.

Wie findet man das Kugelzentrum?

Der Kugelradius eines sphärischen Spiegels ist genau doppelt so lang wie seine Brennweite. Stellt man den Foucault Tester etwa in dieser Entfernung vom Spiegel auf und schaltet die Lichtquelle ein, so kann das Spiegelbild der Lichtquelle auf ein Blatt Papier projiziert werden. Das Kugelzentrum ist erreicht, wenn sich die Lichtquelle und das Bild der Lichtquelle im gleichen Abstand vom Spiegel befinden und das Bild der Lichtquelle die maximale Schärfe erreicht hat. Vor oder hinter dem Kugelradius wird das Bild schnell größer und unschärfer.

Eine andere Möglichkeit das Kugelzentrum zu finden ist es, das Bild der Lichtquelle mit bloßem Auge im Spiegel zu suchen. Vor bzw. hinter dem Kugelradius sieht man die Lichtquelle recht deutlich im Spiegel. Nahe des Kurvenradius wird das Bild schnell größer bis es im Kurvenradius den Spiegel völlig ausfüllt.

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Hinter der Messerscheide eines Slitless Foucault Testers dunkelt der Spiegel beim Hereinschieben der Messerschneide innerhalb Kugelradius von der Seite her ab, auf der sich die Messerschneide befindet, außerhalb des Kugelradius dunkelt er von der entgegengesetzten Seite her ab:

Obere Darstellung: Befindet sich die Messerschneide noch außerhalb des Fokus, so ist auf dem Prüfling auf der entgegengesetzten Seite der Messerschneide ein Schatten erkennbar.

Untere Darstellung: Befindet sich die Messerschneide innerhalb des Fokus, so ist auf dem Prüfling auf der Seite der Messerschneide ein Schatten erkennbar.

Mittlere Darstellungen: Befindet sich die Messerschneide genau im Fokus, so dunkelt der Prüfling schlagartig gleichmäßig ab, wenn die Messerschneide den Brennpunkt berührt.


Mit den Worten eines Frischlings geht folgendes vor:

Ich suche in etwa das Kugelzentrum (KR) wie oben beschrieben. Eine Optik, die stets den selben Blick auf den Spiegel ermöglicht, macht die Sache um einiges leichter. Ich habe meine Spiegelreflexkamera auf den Schlitten gebaut. Zuerst richte ich die Kamera auf den Spiegel aus, dann richte ich die Reflektion auf die Mitte des Kamreaobjektives aus. Wenn ich jetzt die Klinge verfahre, beginnt irgendwann der Spiegel zu leuchten. Nochmal zurück und beobachten.

Wenn die "Erleuchtung" seitlich in den Spiegel wandert, bin ich noch ausserhalb des Zentrums (KR). Abhängig vom Aufbau des Testers muss man herausfinden, in welche Richtung man den Schlitten zum oder vom Spiegel wegfahren muss.

Bei mir muß ich, wenn die "Erleuchtung" von rechts kommt weiter zum Spiegel hin fahren. Wenn ich das Zentrum erwischt habe, gibt es kein von links oder von rechts mehr. Irgendwie wird der Spiegel einfach heller, wobei aber dennoch dunkle Stellen drin sind (Mein Spiegel ist noch nicht sphärisch). Wenn ich jetzt die Klinge hin und her (Quer zum Spiegel) verfahre, kann ich den nötigen Graubereich einstellen. Der Spiegel sieht aus wie ein Drops, die Luft wabert und wenn ich nur ganz leicht den Tisch berühre, leuchtet der Spiegel ganz auf oder wird wieder dunkel.

Zonenmessungen

Parallele Strahlen, die aus dem Unendlichen kommen, können von einem Parabolspiegel in einem einzigen Punkt vereinigt und dort dem Foucault Test unterzogen werden. Die Brennweite aller Zonen des Spiegels ist für diese Strahlen also gleich, der Foucault Test ist für einen solchen Spiegel ein Null Test.

Ebenso sind die Brennweiten aller Zonen eines sphärischen Spiegels gleich, wenn sich die Lichtquelle im Kugelzentrum des Spiegels befindet. Auch hier ist der Foucault Test ein Null Test

Wird nun die jedoch Brennweite eines Parabolspiegels für Strahlen aus dem Kugelzentrum untersucht, so ergibt sich für jede Spiegelzone eine andere Brennweite. Mit Hilfe des Foucault Tests ist es möglich die Brennweite der einzelnen Zonen zu vermessen. Als Beispiel wurden hier die Foucaultschatten (Parabelschatten) eines 250mm f/6 Spiegels für Strahlen aus einer Lichtquelle nahe des Kugelzentrum simuliert.

Bild:Foucault-3000.jpg Da die herkömmlichen Foucault Tester mit einem feststehenden Lichtspalt zunehmend von der Variante mit halbseitig abgedunkelter und bewegter Lichtquelle Lichtquelle abgelöst werden, habe ich auch bei dieser Simulation eine bewegte Lichtquelle vorgesehen. Im ersten Bild befinden sich die Lichtquelle und die Messerschneide im Kugelzentrum. Dieses ist der Brennpunkt der mittleren Zone des Spiegels.
Bild:Foucault-3001.jpg Im zweiten Bild befinden sich die Lichtquelle und die Messerschneide einen Millimeter hinter dem Brennpunkt des Kugelzentrums. Dieses ist der Brennpunkt für die Zone die ca 55mm abseits des Kugelzentrums liegt
Bild:Foucault-3002.jpg Im dritten Bild befinden sich die Lichtquelle und die Messerschneide zwei Millimeter hinter dem Brennpunkt des Kugelzentrums. Dieses ist der Brennpunkt für die Zone die ca 78mm abseits des Kugelzentrums liegt
Bild:Foucault-3003.jpg Im vierten Bild befinden sich die Lichtquelle und die Messerschneide drei Millimeter hinter dem Brennpunkt des Kugelzentrums. Dieses ist der Brennpunkt für die Zone die ca 93mm abseits des Kugelzentrums liegt


Bild:Couder-mask-anim.gif Leider ist der Foucault Schatten in der Praxis nicht so deutlich ausgeprägt zu sehen, wie auf den grafischen Darstellungen. Es ist daher unumgänglich beim Zonentest entweder eine Coudermaske oder einen Everest Pin Stick zu verwenden. Mit Hilfe einer solchen Maske wird das Beurteilen der verschiedenen Zonen (hier am Beispiel der 78mm Zone) wesentlich erleichtert. Der Fokus einer Zone ist erreicht, sobald der Spiegel hinter beiden Aussparungen der Zone in der Maske gleich hell erleuchtet ist.

Auswerten der Ergebnisse

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Auswertung per Hand, Auswertung mit Programmen

Siehe auch

Weblinks

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