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Spiegelschleifen

Teleskopspiegel können in Handarbeit in hervorragener Qualität hergestellt werden.
Im Folgenden soll der Herstellungsprozess eines 350mm-Spiegels kurz beschrieben werden.

Anmerkung:
Der Bau einer Schleif- und Poliermaschine wird bei zukünftigen Spiegelprojekten Herstellungszeit und Produktionskosten strak reduzieren.  

Inhalt:




Grobschliff

Der Spiegelrohling ist im Lieferzustand plan. Im sogenannten Grobschliff wird mit einem Schleifwerkzeug unter Zugabe eines Schleifmittels (Siliciumcarbid) die notwendige konkave Krümmung eingearbeitet.
In dieser Phase sind die Ansprüche an die Genauigkeit gering, als Schleifwerkzeug diente daher für die ersten Stunden ein simples Stück Granitplatte aus dem Baumarkt.










Ausmessen der Sphäre
Nach vielen Stunden schweißtreibenden Schleifens ist die notwendige Krümmung der Oberfläche im Groben erreicht. Die Vermessung der Oberfläche erfolgt z.B. mit einem Sphärometer. Solch ein Messgerät kann man auf der Drehbank selbst leicht herstellen! 
Die Anzeigegenauigkeit der Messuhr von 0,01mm ist in diesem Stadium noch ausreichend.








Feinschliff

Im anschließenden Feinschliff wird mit immer feiner gekörntem Schleifmittel sukzessive die Oberfläche verbessert. Nach Ende dieser Phase weicht die Oberfläche nur mehr ca. 0.01 mm von der geforderten sphärischen Form ab. Der Spiegel zeigt sich nun milchig transparent.


Polieren

Nach dem Feinschliff muss die Glasoberfläche poliert werden. Das aus Gips gegossene Polier-Werkzeug hat wabenstruktur und ist mit einer speziellen Folie ausgestattet. Als Poliermittel dient Ceriumoxyd
In späteren Phasen der Politur werden diverse weitere Werkzeuge - belegt mit einem speziellen optischen Pech - verwendet. Damit ist es möglich, höchste Oberflächengüten zu erreichen. Gezielte Oberflächenkorrekturen im Größenbereich von wenigen 1/100.000 mm sind damit möglich (wenn auch mit sehr, sehr viel Geduld ...)






Prüfen der Spiegeloberfläche

Der Spiegel ist nun vollkommen blank - aber hat er bereits die geforderte Kurvenform? Immerhin darf die tatsächliche Oberfläche nirgends mehr als maximal 0,00007mm(!) vom idealen Rotationssphäroid abweichen!












Foucault Testgerät

Kann man mit Mitteln des Amateurs solch geringe Abweichungen von der geforderten idealen Kurvenform überhaupt noch messen?
Ja, man kann - dank eines genialen Verfahrens, das der Physiker Léon Foucault bereits 1859 entwickelt hat! Wie auf untenstehendem Bild zu erkennen, lässt sich das erforderliche Messgerät durchaus selber bauen.

Es handelt sich hier um einen einfachen Kreuztisch. Verfahrwege werden mittels Mikrometer auf 0,01mm genau gemessen. 
Zur Aufnahme des Messbildes habe ich eine handelsübliche Webcam mit einem alten Zoom-Objektiv ausgestattet. Ein Messbild am PC bietet mannigfaltige Vorteile - unter anderem ist es damit möglich, das von mir entwicklete Programm VCS - Virtual Couder Screen© einzusetzen.
Das Foucault-Testgerät ist übrigens nicht auf einem Tisch aufgebaut, sondern an der Zimmerdecke aufgehängt. Dadurch werden Störungen aufgrund von Bodenschwingungen vermieden.








Luftunruhe - Reduktion von Konvektionsströmungen

Konvektionsströmungen - z.B. hervorgerufen durch Körperwärme, Lichtquellen, Computer oder Heizkörper können die Durchführung des Foucault-Tests erschweren. Ich habe deshalb einen Tunnel gebaut, der den Lichtweg zwischen Messaparatur und Spiegelhalterung gegen Luftunruhe abschirmt.
Hier der Blick vom Messgerät durch den Tunnel auf den Spiegel.

Sehen sie ein kurzes Video, das die Empfindlichkeit der Methode demonstriert:


Der Foucault-Test (Schattenprobe)

So sieht der Spiegel im Foucault-Messverfahren aus. Jede Abweichung von der Idealform wird in der Vertikalen geradezu monströs überhöht. Die Aufnahme entstand in einer frühen Phase des Polierens. Die Oberfläche erscheint noch relativ rauh; der zentrale 'Berg' ist in der Realität ein Kurvenfehler von nur wenigen Zehntausendsteln Millimeter!

Der Spiegel ist auspoliert, sobald er im Prüfbild 'topfeben', ohne jede erkennbare Struktur erscheint - ein wahres Geduldsspiel!
Und doch ist immer noch ein letzter Schritt notwendig. Im Zuge des 'Parabolisierens' muss das nun erreichte perfekte Rotationssphäroid in ein Rotationsparaboloid umgewandelt werden - nur dann liefert ein astronomisches Fernrohr wirklich optimale Bilder.



Parabolisieren - Virtuelle Zonenmaske (Virtual Couder Screen© - VCS)

Die Bearbeitungsverfahren während des Parabolisierens ähneln denen des Polierens. Die Prüfeinrichtung muss allerdings erweitert werden, um die geforderte Parabelform des Spiegels quantitativ bewerten zu können. Dies geschieht beispielsweise durch Anwendung einer sogenannten Zonenmaske mit deren Hilfe die Spiegelgeometrie in konzentrischen Zonen vermessen werden kann.
Bisher wurden solche Zonenmasken immer als physische Masken vor dem Spiegel positioniert. Es ist mir aber gelungen die Software VCS - Virtual Couder Screen© zu entwickeln, mit der es möglich ist, Zonenmasken virtuell am Bildschirm darzustellen, sowie das Messverfahren zu objektivieren und zu automatisieren.





HILUX-Beschichtung

Der fertige Spiegel wurde anschließend bei Orion Optics UK mit einer Hilux-Beschichtung versehen.
Im Gegensatz zur normalerweise verwendeten Aluminiumbedampfung besitzt Hilux zusätzliche optisch wirksame Schichten und bietet ein um 10% verbessertes Reflexionsvermögen.


 
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