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Vixen Newton R200SS (200/800) mit Koma Korrektor

von J.S. Schlimmer (03/2005)

Die ursprüngliche Version dieses Artikels erschien bereits im Jahr 2000 im Astrolabium von Herrn Reichertz. Inzwischen besitze ich das R200SS seit 6 Jahren. Die Optik und ihre Grenzen sind mir daher wohl vertraut. Obwohl die Optik des Vixen R200SS allgemein einen sehr guten Ruf hat, kann ich diesen für mein Exemplar nicht bestätigen. Von meinen 4 Instrumenten (Vixen R200SS, Leica APO Televid 77, Vixen Achromatischer Refraktor 60/700, Nikon Fernglas 8x40) ist letztlich nur ein Teleskop im Rahmen seines optischen Designs perfekt. Und gerade diesen 60 mm Fraunhofer Refraktor benutze ich am wenigsten. Aufgrund dieser Erfahrungen wurde der Artikel völlig überarbeitet. Der Schwerpunkt dieses Beitrages liegt bei der Betrachtung des Einflusses der Sphärischen Aberration auf die Modulations Transfer Funktion (MTF). Ich weise ausdrücklich darauf hin, dass eine Verallgemeinerung meiner Erfahrungen mit meinem R200SS auf andere Exemplare dieses Typs nicht möglich ist !

1. Allgemeine Beschreibung


Abbildung 1: Vixen Newton R200SS, seit 1999 im Einsatz

Das R200SS ist ein Newton-Teleskop der japanischen Firma Vixen mit einer Öffnung von 200 mm und einer Brennweite von 800 mm. Daraus resultiert ein Öffnungsverhältnis von 1:4. Der Vorteil dieses Teleskops liegt daher in kurzen Belichtungszeiten bei Fokalaufnahmen. Der Nachteil von solchen "schnellen" Newton-Teleskopen besteht in der systembedingten Koma. Zur Korrektur der Koma wird serienmäßig ein Komakorrektor mitgeliefert. Bei der visuellen Beobachtung trägt der Komakorrektor bei mittleren und höheren Vergrößerungen zur Verschlechterung der Abbildung auf der optischen Achse bei. Es empfiehlt sich daher, den optionalen Telekonverter für die visuelle Beobachtung einzusetzen und den Komakorrektor nur für die Fotografie zu verwenden.
Der Sekundärspiegel ist mit einem Durchmesser von ca. 1/3 der Öffnung recht groß. Dies hängt direkt mit dem Öffnungsverhältnis zusammen. Je kleiner die Blendenzahl ist, umso größer muss der Sekundärspiegel sein, wenn das Gesichtsfeld vignettierungsfrei ausgeleuchtet werden soll. Bedingt durch die Beschattung des Primär- durch den Sekundärspiegel (so genannte Obstruktion) ist der Kontrast des R200SS relativ schlecht (siehe Punktquellen, Airy-Disks und Seeingscheibchen). Der Sekundärspiegel wird von vier dicken Spinnenarmen getragen, die auf Aufnahmen in Form von Beugungslinien um helle Sterne sichtbar werden. Dies kann auf Sternfeldaufnahmen durchaus sehr gut aussehen. Die Spinnenarme tragen natürlich zusätzlich zur Verschlechterung des Kontrastes bei.
Die Justage der Spiegel erfolgt über Imbusschrauben, wodurch die Justage sehr genau durchgeführt werden kann. Nur gut justiert liefert das Instrument scharfe Bilder. Wenn das Instrument erst einmal justiert ist, so ist es gegen häufigen Auf- und Abbau bzw. Transport nicht empfindlich, es bleibt justiert. Zur groben Justage sollte man einen Justierlaser verwenden, die Überprüfung und Feinjustage erfolgt dann direkt am Stern.
Eine weitere Voraussetzung für eine gute Abbildung ist die Anpassung der Temperatur des Spiegels an die Umgebung. Daher wurde an die Rückseite des Tubus ein Lüfter angebracht. Diese Modifikation und die Resultate werden in den beiden Artikeln Ein Lüfter an einem 8-Zoll-Newton-Teleskop und Temperaturanpassung und Tubusseeing eines 8-Zoll-Newton-Teleskops dargestellt. 

2. Die Okularwahl

Für Deep-Sky-Beobachtungen verwende ich bevorzugt ein Tele Vue 16-mm-Nagler-Typ 5 Okular. Dieses Okular zeigt mit 1,6° das größte Gesichtsfeld, das mit 1,25 Zoll Okularen möglich ist. Mit einer Brennweite von 800 mm ergibt sich eine 50-fache Vergrößerung. Für Doppelsternbeobachtungen verIängere ich meist die Primärbrennweite des Newtons mit Hilfe des dafür erhäItIichen Telekonverters auf 1500 mm bei Blende 7,5. Bei dieser Anordnung spielt die Koma keine große Rolle mehr, da nur der innere Bereich des Gesichtsfeldes betrachtet wird. Daher ist der Komakorrektor auch nicht gleichzeitig mit dem Telekonverter verwendbar. Durch den Telekonverter verlagert sich die Austrittspupille vom Okular weg, was bei kurzbrennweitigen Okularen ganz angenehm ist. Für höhere Vergrößerungen kommt ein 12,5 mm orthoskopisches Okular und ein 7-mm-Nagler-Typ 1 Okular zum Einsatz. Obwohl das 7-mm-Nagler Okular das gleiche Gesichtsfeld wie das 12,5 mm orthoskopische Okular zeigt, ist letzteres für Zeichnungen von Doppelsternen oft besser geeignet. Aufgrund der geringeren Vergrößerung ist die Beobachtung weniger anfällig gegenüber der Luftunruhe. Allerdings ist die visuelle Reichweite des 7-mm-Nagler Okulars aufgrund der höheren Vergrößerung deutlich größer. Es lassen sich noch lichtschwache Sterne erblicken, die mit dem Orthoskopischen Okular nicht mehr zu beobachten sind (siehe Zeichnung von 61 Cygni)

3. Die optischen Fehler

3.1 Sphärische Aberration

a) visuelle Beobachtung

Ausgangspunkt zur Herstellung eines Hauptspiegels für ein Newton Teleskop ist in der Regel ein Kugelspiegel. Beim Kugelspiegel sind im Wesentlichen zwei Fehler von Bedeutung : sphärische Aberration und Koma. Sphärische Aberration entsteht dadurch, dass Lichtstrahlen, die verschieden weit von der optischen Achse reflektiert werden, verschiedene Brennpunkte besitzen. Dieser Fehler lässt sich durch eine Parabolisierung des Spiegels beseitigen. Laut Prospekt wird dies beim R200SS durch gezieltes Aufdampfen der Spiegelschicht erreicht.
Tests am Stern zeigen jedoch, dass mein R200SS erhebliche sphärische Aberration aufweist. Ein typisches Merkmal für das Vorhandensein von sphärischer Aberration sind unterschiedliche große intra- und extrafokale Beugungsbilder, die jeweils im gleichen Abstand vom besten Fokus betrachtet werden (Abbildung 1). Dies ist auch der Grund, weshalb keine Beugungsringe um helle Sterne zu erkennen sind !


Abbildung 2 : Intra- und Extrafokales Beugungsscheibchen jeweils im gleichen Abstand vom besten Fokus


Abbildung 3 : Sirius, Summenbilder über jeweils 50 Einzelbilder, links mit f/4, rechts auf f/5 abgeblendet.

Die sphärische Aberration verschwindet erst, wenn man die Öffnung auf 160 mm (f/5) abblendet. Durch das Abblenden verringert sich jedoch das theoretische Auflösungsvermögen von 0,70“ auf 0,86“ (bezogen auf eine Wellenlänge von 550 nm). Durch das Abblenden des Hauptspiegels vergrößert sich auch die Obstruktion. Diese beträgt dann bei f/5 rund 50 %. Vom zentralem Beugungsscheibchen wird das Licht stärker in den ersten Beugungsring um verteilt. Der erste Beugungsring ist daher nach dem Abblenden gut zu beobachten. Mit zunehmender Obstruktion verringert sich auch der Kontrast. Letztlich ist der Kontrast des "perfekten" f/5-Newtons mit 50 % Obstruktion genau so schlecht, wie mein f/4-Newton mit sphärischer Aberration. Der Gewinn beim Abblenden besteht einerseits in einem randscharfen Gesichtsfeld (16mm-Nagler-Typ 5 Okular), andererseits ist die Beobachtung von Doppelsternen weniger anfällig gegenüber der Luftunruhe. Generell lassen sich Doppelsterne bei f/5 mit meinem R200SS besser trennen ! In wieweit das Abblenden jedoch sinnvoll ist, muss am einzelnen Objekt überprüft werden. Der Lichtverlust von einer Blende muss insbesondere bei der Deep-Sky-Fotografie im Primärfokus berücksichtigt werden. Auch bei der visuellen Beobachtung ist die Reichweite bei f/4 mit sphärischer Aberration größer wie die des abgeblendeten Newtons. So konnte die Komponente F von Theta 1 Orionis nur mit voller Lichtstärke beobachtet werden. Nachfolgend habe ich die Punktverbreiterungsfunktion (PSF, Airy Disk) und die Modulations Transfer Funktionen für einen perfekten f/4-Newton mit 35 % Obstruktion und einen perfekten f/5-Newton mit 50 % Obstruktion berechnet [1] :


Abbildung 4 : Punktverbreiterungsfunktion und Modulations Transfer Funktion MTF für ein perfektes 8-Zoll-Teleskop mit a) f/4 mit 35 % Obstruktion (oben) und b) f/5 mit 50 % Obstruktion (unten) [1]
Verlängert man die linearen Bereiche der MTF Kurven bis zum Schnittpunkt des normierten Auflösungsvermögen (x-Achse), so ergibt sich ein realistischer Vergleich zwischen der Kontrastübertragung (MTF) des R200SS und einem perfekten Refraktor (langbrennweitiger Fraunhofer oder kurzbrennweitiger APO Refraktor) für kleine bis mittlere Vergrößerungen. So gesehen entspricht der Kontrast eines perfekten R200SS in etwa dem eines 120 mm Refraktors (Schnittpunkt bei 0,6), der Kontrast des auf f/5 abgeblendeten R200SS entspricht dem eines 80 mm Refraktors (Schnittpunkt bei 0,4) ! Diese Überlegung stimmt mit meinen Erfahrungen bei der Beobachtung von kontrastschwachen Objekten (Planeten, Mondoberfläche) überein. Selbstverständlich macht sich die Luftunruhe bei Refraktoren nicht so stark bemerkbar wie bei Newton-Teleskopen, da letztere eine größere Öffnung für die gleiche Kontrastübertragung benötigen und somit anfälliger gegenüber dem Seeing sind (vergleiche Abbildung 4 in Wie gut muß das Seeing sein ?). Bei der Beobachtung von Doppelsternen ist dieser Vergleich nicht mehr zutreffend. Hier spielt der f/5-Newton sowohl sein höheres Lichtsammelvermögen als auch sein höheres Auflösungsvermögen gegenüber einem 80 mm Refraktor aus.

b) Deep-Sky-Fotografie

Wie wirkt sich nun die sphärische Aberration auf die Deep-Sky-Fotografie im Primärfokus aus ? Für die Deep-Sky-Fotografie wird der Kodak E200 als Empfänger verwendet. Es müssen daher die Modulations Transfer Funktionen des Filmmaterials und des R200SS gemeinsam betrachtet werden. Da ein Film aus drei unterschiedlichen Farbschichten aufgebaut ist und jede Farbschicht eine eigene MTF hat, beziehen sich die nachfolgenden Betrachtungen auf rote Objekte, wie sie bei der Fotografie von Wasserstoffnebel vorliegen. Abbildung 3 zeigt die Modulations Transfer Funktionen des Kodak E200.


Abbildung 5 : Die Modulations Transfer Funktion für den Diafilm Kodak E200 [2]

Das Bildfeld von 36 mm beträgt bei einer Brennweite von 800 mm 9288“. Daraus ergibt sich ein Abbildungsmaßstab von 258“/mm. Der Kodak E200 kann im roten Spektralbereich laut Datenblatt 30 Linien/mm mit einer MTF von 50% bzw. 80 Linien/mm mit einer MTF von 0,1 auflösen [2]. Für die abzubildenden Objekte folgt damit eine maximale Auflösung von 8,6“ (MTF = 50%) bzw. 3,2“ (MTF = 10%).
Mit einer Wellenlänge von 656 nm ergibt sich für ein perfektes R200SS ein Auflösungsvermögen von 0,83“. Aus den MTF Kurven der Abbildung 1 folgt für das R200SS :
         
          MTF = 82% für Objekte mit 8,6“ Durchmesser

          MTF = 50% für Objekte mit 3,2“ Durchmesser

Für das auf f/5 abgeblendete R200SS verschlechtert sich das Auflösungsvermögen auf 1,0“. Aus den MTF Kurven der Abbildung 1 folgt :
MTF = 72% für Objekte mit 8,6“ Durchmesser
MTF = 30% für Objekte mit 3,2“ Durchmesser

Wir erhalten das Ergebnis in dem wir die Kontraste für Film und Teleskop miteinander multiplizieren :

1. Durchmesser von 8,6“ :

MTF (Abbildung) = MTF (Film) x MTF (R200SS f/4) = 41% 
MTF (Abbildung) = MTF (Film) x MTF (R200SS f/5) = 36%
2. Durchmesser von 3,2“:
MTF (Abbildung) = MTF (Film) x MTF (R200SS f/4) = 5% 
MTF (Abbildung) = MTF (Film) x MTF (R200SS f/5) = 3%
In der Deep-Sky-Fotografie macht sich die fehlerhafte Optik gerade in der Darstellung der feinsten Details bemerkbar. Diese werden lediglich mit einem Kontrast von 3% statt eines Kontrastes von 5 % abgebildet ! Bei Objekten mit niedriger Ortsfrequenz wirkt sich das Abblenden hingegen weniger auf den Kontrast aus. Diese Überlegung entspricht auch der allgemeinen Erfahrung : die Struktur mit der niedrigsten Ortsfrequenz ist der Himmelshintergrund. Er lässt sich auch mit einer völlig dejustierten Optik perfekt ablichten (Kontrast =1) !

3.2 Koma

Koma entsteht immer dann, wenn Lichtstrahlen schräg durch eine Linse fallen oder schräg auf einen Spiegel treffen. Die Bildmitte ist nur dann frei von Koma, wenn der Spiegel exakt senkrecht zur optischen Achse liegt. Daher ist die Justierung eines kurzbrennweitigen Newtons so wichtig (auch die Abbildung eines SC's ist  komabehaftet, allerdings werden hier alle außerachsialen Lichtstrahlen, die zur Koma beitragen durch das "Buffle" ausgeblendet, wodurch die starke Vignettierung der SC's entsteht).
Zur Beseitigung der Koma werden seit den 70er Jahren verschiedene Korrektoren angeboten. In der Literatur werden 2 Arten genannt : einen zwei-linsigen Korrektor für Kugelspiegel von Ross und einen drei-linsigen Korrektor für Parabolspiegel von Wynne [2]. Der Komakorrektor des R200SS besteht aus zwei Linsen, gleicht aber vom Aufbau her nicht dem "Ross Korrektor". Leider konnte die Firma Vehrenberg mir keine weiteren Informationen zu diesem Komakorrektor liefern. Allerdings wiesen sie mich im Zusammenhang mit Filtern darauf hin, dass der Abstand zwischen Komakorrektor und Bildfeldebene extrem kritisch ist und nicht (z. B. durch zusätzliche Filter) verändert werden darf. 

Wie sieht die Komakorrektur in der Praxis aus ? Um dies herauszufinden wurden 2 Aufnahmen angefertigt, die erste ohne Komakorrektor, die zweite mit Komakorrektor. Als Motiv wurde ein Ausschnitt aus dem "Haar der Berenice" im Sternbild Coma gewählt, da hier über einen großen Bereich genügend helle Sterne zur Verfügung standen. 

Abbildung 6 : Aufnahme a) ohne Komakorrektor und b) mit Komakorrektor

Da die Koma besonders stark in den Bildecken auftritt, ist in Abbildung 4 nur ein Ausschnitt der Aufnahme dargestellt. Deutlich ist die Koma auf dem linken Bild zu erkennen. Auf der rechten Bildhälfte ist kein Koma mehr zu sehen, allerdings ist die Nachführung nicht ganz korrekt. 

3.3 Die Vignettierung

Unter Vignettierung versteht man einen Helligkeitsabfall zum Bildrand hin. Die Vignettierung gehört im Gegensatz zur Koma nicht zu den optischen Fehlern. Da die natürliche Vignettierung von Linsen beim Newton-Teleskop keine Rolle spielt, möchte ich mich hier auf die Art der Vignettierung beschränken, die entsteht, wenn sich z. B. mechanische Bauteile im Strahlengang befinden. Die häufigste Ursache für die Vignettierung bei Newton-Teleskopen ist ein zu kleiner Sekundärspiegel.
Beim R200SS betragen die Durchmesser der beiden Achsen 97 mm und 69 mm. Fertigt man eine maßstabsgerechte Zeichnung des Strahlenverlaufs an, so stellt man fest, dass die Größe des Sekundärspiegels an die axialen Strahlen angepasst ist. Diese werden vignettierungsfrei zum Okular reflektiert. Anders sieht der Sachverhalt für die außerachsialen Strahlen aus. Zur vignettierungsfreien Ausleuchtung des Kleinbildformates müsste der Sekundärspiegel eine Größe von 124 mm x 88 mm haben, wenn alle Strahlen zur Ausleuchtung der Kleinbilddiagonale beitragen sollen. Dies würde aber eine Obstruktion der Öffnung von 88 mm bedeuten, d. h. 44 % des Durchmessers der Öffnung wären durch den Sekundärspiegel beschattet. Hier hat man einen Kompromiss zwischen der Erhaltung des Kontrastes (visuell) und der gleichmäßigen Ausleuchtung des Bildfeldes (fotografisch) gemacht.
Im Zusammenhang mit einer gleichmäßigen Ausleuchtung des Kleinbildformates spielt der Offset des Sekundärspiegels eine große Rolle. An dieser Stelle sei kurz erwähnt, dass der Offset beim R200SS bereits konstruktiv berücksichtigt wurde. Neben dem zu kleinen Sekundärspiegel trägt auch der T2-Adapter zur Vignettierung bei. So erhält man mit aufgeschraubtem T2-Adapter einen freien Durchmesser von 38 mm, die Kleinbilddiagonale hingegen mißt hingegen 43,3 mm. Für das R200SS gibt es daher noch einen speziellen T2-Ring. Dieser bewirkt eine sichtbare Verringerung der Vignettierung.

4. Bisheriger Einsatz des R200SS

Das R200SS wurde ursprünglich für die Astrofotografie von Deep Sky Objekten gekauft. Viele intergallaktische Objekte lassen sich aufgrund ihrer Objektgröße und Helligkeit mit kurzen Belichtungszeiten von 5 bis 10 Minuten aufnehmen. Als Beispiel ist hier eine Aufnahme von M8, dem Lagunen Nebel im Sternbild Schütze dargestellt. Neben der Optik kommt es bei diesem Objekt auf einen möglichst dunklen Himmel an, da sonst die Gefahr besteht, dass der Kontrast durch die Lichtverschmutzung stark gemindert wird. 


Abbildung 7 : Der Lagoon Nebel M8, 5 Minuten auf Kodak E200 belichtet (Entwicklung um eine Blende gepusht) Aufnahmeort : Stumpertenrod, 10. ITV, 25.05.2001

Inzwischen haben sich in der Deep-Sky-Fotografie neue Techniken im Amateurbereich etabliert (CCD Aufnahmen im LRGB Komposit Verfahren), deren Ergebnisse noch vor wenigen Jahren undenkbar gewesen wären. Der große Vorteil dieser Technik besteht in der natürlicheren Farbwiedergabe der Objekte. Herkömmliche Filme sind hierzu aufgrund ihrer blau-grün Farblücke nicht in der Lage. Inzwischen hat sich das Einsatzgebiet meines R200SS von der Deep-Sky-Fotografie zur Doppelsternbeobachtung geändert. Durch den wesentlich größeren Abbildungsmaßstab der Webcam in Verbindung mit dem Telekonverter, ist es möglich geworden, auch Doppelsterne aufzuzeichnen. Nähere Informationen über dieses Einsatzgebiet sowie Ergebnisse finden Sie im Menü Doppelsterne. Aufgrund der sehr guten spektralen Empfindlichkeit der Philips ToU Webcam konnten in Verbindung mit einem Blaze-Gitter inzwischen auch Sternspektren mit niedriger Auflösung aufgezeichnet werden.

5. Zusammenfassung und Bewertung

Im visuellen Einsatz hat sich gezeigt, dass die maximale Abbildungsqualität meines R200SS dem eines perfekten f/5-Newtons mit 50 % Obstruktion entspricht. Der Kontrast ist bei niedrigen bis mittleren Vergrößerungen mit dem eines 80 mm APOs vergleichbar. Beobachtungen am Planeten bestätigen diesen Vergleich. Dabei sollte mann berücksichtigen, dass sich beim 80 mm Refraktor das Seeing nicht so stark bemerkbar macht wie bei einer 200 mm Öffnung.
In der Deep-Sky-Fotografie macht sich die fehlerhafte Optik hingegen in der Darstellung der feinsten Details bemerkbar. Diese werden lediglich mit dem halben Kontrast abgebildet ! Die feinsten Strukturen, die mit dem Kodak E200 bei 800 mm Brennweite noch abzubilden sind, liegen bei etwa 3,2". Ein perfekter f/4 Newton mit 35 % Obstruktion liefert etwa den gleichen Kontrast wie ein perfekter 120 mm Refraktor, ist diesem aber aufgrund des wesentlich höheren Lichtsammelvermögens deutlich überlegen.


Quellennachweis

[1] Die PSF und die MTF Kurven wurden mit dem Programm Aberrator, Version 2.53 berechnet, http://aberrator.astronomy.net/ 
[2] Kodak Professional EKTACHROME, E100S, E100SW, E100VS und E200, Informationen für Professionals und Amateure, Technische Daten
[3] Erwin Wiedmann, Verfeinerte Optiken für Astroamateure, Sterne und Weltraum 11/1976



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