Elliptische Planspiegel herstellen

Natürlich kann man den Diagonalspiegel für sein Selbstbau-Newtonteleskop auch fertig kaufen.
Aber je grösser der (nehmen wir mal an erfolgreich vollendete!) Hauptspiegel, desto grösser in der Regel auch der Fangspiegel. Und leider kann das ziemlich teuer werden - mir waren jedenfalls die 450 SFr. wesentlich zuviel, die ich neulich für einen mit 75 mm kleiner Achse hätte auslegen müssen. In Anbetracht all der weiteren notwendigen Ausgaben fürs neue 12.5 Zoll Dobson entschloss ich mich, in den sauren Apfel zu beissen: Selbermachen ist auch hier angesagt! Das dauert zwar, kostet dafür aber fast nichts. Und nachdem ich auch schon einen 32.5 cm-Planspiegel für Prüfzwecke erfolgreich zu Ende gebracht hatte und all die benötigten Hilfsmittel in meiner Werkstatt vorhanden sind, schreckte mich die Aufgabe nicht besonders.

1. Der Rohling

Die Rohscheibe für einen 45° elliptischen Planspiegel mit 75 mm kleiner Achse muss mindestens Wurzel 2 mal grösseren Durchmesser haben. Mit etwas Toleranz fürs Abrichten benötige ich also eine 110 mm-Scheibe. - Woher nehmen? Die Duran-Rohlinge in meinem Glaslager waren alle zu dick; ich plante ein Verhältnis (Dicke / kleine Achse) von ca. 1:10. Da bot sich noch das lange gebunkerte Stück Glasregal mit 7.8 mm an!
Planschliff geht am einfachsten mit der Dreiplatten-Methode. Also gleich drei Scheiben aussägen, wenn wir schon an der Arbeit sind. Das heisst zunächst eine Lochsäge passenden Durchmessers herrichten:

Mangels besserem Material in der benötigten Grösse drehe ich ein Stück Alu-Rohr auf Innendurchmesser 110 mm und passe eine Grundplatte ein, die den Zapfen aufnimmt. Die Platte wird an zwei, drei Stellen durchbohrt. Die Stirnfläche ist am breitesten; weiter hinten wird das Rohr innen und aussen hinterschnitten, damit die Säge in der Bohrung nicht klemmt, und mit unregelmässig verteilten Einschnitten versehen. Die Tiefe des Bohrers beträgt innen etwa 20 mm; es dürfen auch bedeutend mehr sein. Die Bohrbüchse wird zum Schluss am Zapfen laufend überdreht, damit sie rundläuft.
Empfohlen wird Messing oder Stahl, weil diese Materialien standfester sind (auch eine Konservendose funktioniert!), aber Alu liegt nun mal in allen Dimensionen bei mir herum, also versuche ich's damit!

Der Bohrer wird in die Säulenbohrmaschine eingespannt. Die Schaufensterscheibe habe ich beidseitig mit Acrylfarbe dick eingepinselt, als Schutz vor Kratzern. Ein Kragen aus Kunststoffband wird mit flüssigem Bienenwachs auf die Scheibe geklebt. Als Unterlage verwende ich eine Faserplatte, und die Maschine wird mit Plastik abgedeckt. Die Tiefenfeststellung wird eingestellt, ein paar Löffel wiederverwendetes Karbo 80 mit Wasser dazugegeben, und los gehts.
Was man hier nicht sieht: Ein Gehörschutz wird dringend empfohlen!
Mit Gefühl und etwas Druck senkt man nun den mit etwa 300 U/min.(besser wäre noch langsamer, aber das kann meine Maschine nicht) laufenden Bohrer auf die Glasplatte und lässt die Maschine ihre Arbeit tun. Immer wieder entlasten und wieder absenken, ab und zu neues Karbo/Wasser zufügen. Am Schluss nur noch ganz wenig Druck, um grosse Ausbrüche auf der Unterseite zu vermeiden. Die 8 mm Platte ist in etwa 10 Minuten durch, das Werkzeug nach drei solchen Scheiben ebenfalls. Die Unterkante der Scheiben weist eine Braue auf, da der Bohrer nicht auf dem ganzen Umfang gleichzeitig durchstösst, wenn die Scheibe nicht absolut eben aufliegt. Hier stört das nicht, aber beim Elliptischsägen muss dem vorgebeugt werden durch Aufkitten von zwei dünnen Glasscheiben.

Die Scheiben werden dann natürlich noch mit dem Karbostein und viel Wasser beidseitig angefast.

Eine wichtige Frage ist sodann die Spannungsfreiheit des Glases. Diese lässt sich mittels polarisiertem Licht überprüfen. Woher nehmen? Ein TFT-Bildschirm (z.B. Laptop) liefert solches gratis. Ich lege die Scheiben auf den weissen Schirm und betrachte (bzw. fotografiere) sie durch ein Polfilter (Fotozubehör), das ich langsam drehe, bis der Hintergrund schwarz erscheint. Es sind nun keinerlei Farbmuster oder Helligkeitsunterschiede zu sehen, ein Indiz, dass das Glas hinreichend spannungsfrei sein dürfte.

Dass man mit dieser Methode Spannungen tatsächlich erkennen kann, zeigt dieses Bild einer asphärischen Pressglaslinse aus einem Projektor. In der Hand das Polfilter. Es wird ein herrlich buntes Farbmuster sichtbar. - Mit dieser Versuchsanordnung kann man stundenlang herumspielen und Polarisationsmuster studieren: Plastikschächtelchen, verschiedenste Folien, Linsen, Fenstergläser, Brillengläser, Eisplatten...

2. Prüfung auf Ebenheit mit Interferenztest

Am einfachsten und schnellsten geht die Flächenprüfung gegen eine Referenz-Planfläche in Form eines Passglases. Mir steht ein schönes dickes Planglas mit 10 cm Durchmesser und Lambda/9 P-V Gesamtgenauigkeit zur Verfügung, gefertigt von einem hilfsbereiten Optikprofi (um ihn vor diesbezüglichen Anfragen zu schützen, soll er hier nicht genannt werden...)

Weiter profitiere ich von der hier abgebildeten Bastelarbeit eines meiner älteren Schleiferkollegen: ein Prüfapparat mit dem praktisch monochromatischen Licht einer Niederdruck-Natriumdampflampe, Wellenlänge 589.3 nm (Mittelwert der beiden nahe beieinander liegenden Na-Linien - damit sind die gelben Strassenbeleuchtungen bestückt). Die Interferenzstreifenzwischen zwei aufeinanderliegenden Flächen lassen sich damit sehr kontrastreich darstellen. Es funktioniert aber auch z.B. mit einer gewöhnlichen Leuchtstoffröhre, dabei werden die Streifen bunt, weil Licht mit diversen diskreten Wellenlängen interferiert, und das ganze bringt weniger Kontrast.
Die Lampe (im beschrifteten Gehäuse oben) leuchtet eine Mattscheibe aus. Das Licht fällt nach unten durch die schräggestellte klare Glasscheibe auf das Planglas. Die Reflexion kann über die Glasscheibe bequem von vorn betrachtet werden, als würde man senkrecht auf das Planglas schauen. Dies ist wichtig, weil schräge Betrachtung das Messergebnis verfälscht. Der Kasten ist mit schwarzem Flockenpapier ausgekleidet bzw. schwarz gestrichen.
Passglas und Prüfling werden peinlichst gereinigt. Ich verwende Kleenex-Tücher, Isopropanol und pro Fläche ein winzigkleines Tröpfchen eines Putzmittels namens "Sigolin", das für die Reinigung von Messing verwendet wird (Geheimtip vom erwähnten Profi!). Ebensogut kann man sich wohl eine dickflüssige Mischung aus Spiritus, Salmiakgeist und Schlämmkreide zubereiten. Die Mischung macht die Glasoberfläche besonders geschmeidig. Auf das gereinigte und staubfreie (Haarpinsel!) Passglas wird das ebenso saubere Prüfstück vorsichtig aufgelegt. Sofort erscheinen die Interferenzstreifen. Wenn die Gläser nicht absolut staubfrei sind, besteht die Gefahr von Kratzern. Diese kann man mindern, indem man am Rand drei um 120° versetzte Streifchen Alufolie als Abstandhalter unterlegt.

Eine noch unbearbeitete Glasscheibe im Interferenztest. Die Fläche ist durchs Aussägen in zwei Richtungen verworfen. Die absolute Abweichung kann man durch Abzählen der Streifen ermitteln, die von einer über die Fläche gelegten Geraden geschnitten werden: jeder Streifen entspricht hier einer halben Wellenlänge (589/2=295 nm oder ungefähr 1/4 eines tausendstel mm).

3. Schleifen

Zu Beginn sollten die Spiegelrückseiten plangeschliffen werden, um Astigmatismus vorzubeugen und die Oberfläche zu entspannen.
Die drei Scheiben werden in einem strengen Turnus abwechselnd aufeinander geschliffen. Je nach Ebenheit und Kratzern kann man mit Karbo 400 oder sogar 600 beginnen. Gegen Ende des Feinschliffs darf kein Druck auf die relativ dünnen Scheiben mehr ausgeübt werden. Die Genauigkeit erreicht so gegen 1/1000 mm.
Eine Schleifsequenz kann z.B. so aussehen:

1 auf 2; 2 auf 3; 3 auf 1; 2 auf 1; 3 auf 2; 1 auf 3 - und wieder von vorn...

Der Schleifprozess wird mit einem oder zwei Durchgängen Feinstschmirgel M304 abgeschlossen.

4. Polieren

Poliert wird auf einer Pechhaut etwas grösser als die Spiegelscheibe. Die Pechkonsistenz soll normal bis etwas auf der harten Seite sein. Polierstriche 1/3 bis 1/4 und leicht w-förmig. Zeitweise lege ich ein 2.5 kg-Gewicht auf, um das Auspolieren zu beschleunigen. In diesem Stadium prüfe ich die Figur etwa alle 30 Minuten, damit sie nicht entgleist. Eine 110 mm Floatglas-Scheibe ist in rund 4 Stunden bis zum Rand auspoliert.Meist poliere ich mit Spiegel oben (MOT, mirror on top). Dabei ist die Isolation der Scheibe gegen die Handwärme sehr wichtig, besonders am Rand, wo man sie anfasst. Ich nehme hierfür eine Korkplatte, Moosgummi oder Schaumstoff-Folie.

5. Zonen korrigieren

Links ein fortgeschrittener Korrekturzustand: Die Abweichung eines mittleren Streifens zur Geraden zeigt eine Genauigkeit von rund lambda/4 an.
Für die korrekte Interpretation der Messung ist entscheidend zu wissen, ob eine Wölbung konvex oder konkav bedeutet. Angenommen, im nebenstehenden Beispiel drückt man auf den rechten Rand (bei 3 Uhr), und die Streifen werden zahlreicher, dann hat man es mit einer leichten Vertiefung der Mitte zu tun, also konkav. Werden die Streifen breiter und weniger zahlreich, gilt das Gegenteil. Meistens wird der Rand etwas abgesunken sein, das ist auch hier der Fall und vor allem in der rechten Bildhälfte leicht zu erkennen.
Die Streifen sollten nicht zu zahlreich sein; etwa 6 - 8 sind für diese Flächengrösse ideal. Vor der Messung müssen die Scheiben erst ruhen, bis sie im thermischen Gleichgewicht sind.

Wie empfindlich die Spiegelscheibe auf Wärmeunterschiede reagiert, ist in dieser Videosequenz zu sehen (*.mov-Datei, 4 MB Download; Quicktime Player erforderlich): Der Planspiegel wird kurz angehaucht. Dies genügt, ihn um nahezu 2 Wellenlängen konkav zu machen, da sich die Rückseite mit der zugeführten Wärme etwas ausdehnt!

6. Elliptisch bohren

7. Retuschieren

8. Verspiegeln

Diese Seite wird entsprechend dem Arbeitsfortgang ausgebaut.

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