Newtonoptimierung - visuell vs fotografisch

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Theoretisches zum Newtonteleskop – Optimierung für visuelle vs fotografische Nutzung

Ein Teleskop nach Newton ist ein fantastisches Gerät für visuelle und fotografische Beobachtung von Planeten, Sternen, und Nebeln im Universum. Es erfreut sich großer Beliebtheit, nicht nur wegen des geringen Anschaffungspreises bei – im Verhältnis zum Refraktor – größerer Öffnung. Da sind sicher auch das oft bequemere Einblickverhalten, das geringere Gewicht und die Farbreinheit gegenüber einem Refraktor zu nennen.

Jedoch hat ein Newton auch nicht zu verachtende Nachteile. Im Wesentlichen sind zu nennen:

  • Abschattung durch einen Fangspiegel (Obstruktion)
  • Aufwendigere Justage und weniger Justierstabilität
  • Und nicht zuletzt: Ein einzelner Newton ist nicht kompromisslos sowohl visuell als auch fotografisch nutzbar.

Zum letzten Punkt soll hier die Theorie näher beleuchtet werden.

Inhaltsverzeichnis

Die Problematik

Das eigentliche Problem besteht darin, dass für die visuelle Beobachtung mit Okularen die Bildebene zum Teil sogar innerhalb des Okularauszuges liegen muss, für fotografische Beobachtung dagegen weit dahinter. Außerdem benötigt man für die visuelle Beobachtung meist weniger Ausleuchtung der Bildebene als für die fotografische, wobei für die Ausleuchtung die Größe des Fangspiegels entscheidend ist. Diese Unterschiede erfordern auch unterschiedliche konstruktive Lösungen an einem Newton, je nach dem ob dieser visuell oder eben fotografisch optimal genutzt werden soll.


Ein Beispiel-Newton als Allrounder

Ein Newton für Fotografie und visuelle Beobachtung ist immer ein Kompromiss, was visuelle Abbildungsqualität und fotografische Ausleuchtung betrifft. An einem Beispiel soll gezeigt werden, wie ein solcher Newton aufgebaut sein kann. Zur Illustration werden Rechen- und Darstellungsbeispiele aus „MyNewton“ gezeigt. MyNewton ist eine frei erhältliche Software zur Berechnung von Newtons, die nicht nur ich privat nutze :)

Standard Newton, Licht parallel zur optischen Achse

Die Grafik zeigt das Modell eines am Markt erhältlichen 6“ F/6 Newton: Hauptspiegel 150 mm mit Brennweite 900 mm, Fangspiegel 50 mm, Brennebene über dem Tubus ca 140 mm. Die lineare Obstruktion - also die Abschattung des HS durch den FS auf deren Durchmesser bezogen - beträgt ca 33 % (flächenbezogen dann ca 10,8 %). Der Abstand von HS zu FS beträgt 653 mm. Der Fokussierweg des original verbauten OAZ beträgt maximal 35 mm.

Man sieht das Auszugsrohr des OAZ in den Tubus ragen (voll eingefahren, Situation wie bei Fotografie). Die Abschattung durch dieses Rohr soll hier einmal vernachlässigt werden. Die Brennebene befindet sich weit oberhalb des OAZ (ca 69 mm). Der Durchmesser, der in der Brennebene 100 %tig ausgeleuchtet wird, beträgt nur ca 11,5 mm (hellgelber Balken in der Brennebene), was bedeutet, dass zB der Sensor einer Canon EOS D mit 14,6 mm x 22,2 mm nicht voll ausgeleuchtet wird. Die Ausleuchtung bei ca 22 mm beträgt noch ca 91,5 %. Das ist fotografisch noch gerade so vertretbar. Diese Abschwächung der Ausleuchtung zum Rand hin betrifft definitiv das Gesichtsfeld und bewirkt, dass eine Aufnahme von innen nach außen hin dunkler wird – es gibt eine Vignettierung. Schräg auf den HS einfallende Lichtstrahlen werden vom FS nicht zu 100 % in den OAZ gelenkt, wie die folgende Grafik zeigt:

Standard Newton, Licht nicht parallel zur optischen Achse

Die im Bild schräg einfallenden unteren Lichtstrahlen treffen zwar auf den HS, gehen aber am FS vorbei (rote Pfeile). Um eine volle Ausleuchtung zu erreichen, müsste theoretisch der FS größer werden, was aber wieder eine größere Obstruktion zur Folge hätte.

Für die visuelle Beobachtung ist dieser Newton eigentlich kein Problem. Allein durch das kurze Auszugsrohr wird eine Verlängerung nötig, um mit Okularen in den Fokus zu gelangen:

Standard Newton, visuell mit Verlängerungshülse

Zu sehen ist der OAZ voll ausgefahren, plus zusätzlich eine Verlängerungshülse (rot). Um ohne eine solche Verlängerung mit Okularen in den Fokus zu kommen, müsste das Auszugsrohr wesentlich länger werden, welches dann aber wiederum bei der Fotografie sehr weit in den Tubus ragen und erhebliche Abschattungen und Reflexionen verursachen würde. Da Newtons mit einem so langen Auszugsrohr ebenfalls am Markt sind steht die Frage, ob sich bei diesen nicht der Austausch des OAZ lohnen würde. Man beachte, dass die in der oberen Grafik rot dargestellte Hülse noch zu dem Auszugsrohr in Länge hinzukommen würde:

Standard Newton - Auszugsrohr zu lang

Die Grafik zeigt ein solch langes Auszugsrohr, wenn es fotografisch genutzt wird (voll eingefahren). Man sieht, dass das Auszugsrohr des OAZ hier sehr weit in den Tubus hinein ragt und den HS partiell erheblich abschattet. Da sind fotografisch Abbildungsfehler programmiert.

Für die visuelle Beobachtung genügt normalerweise eine Ausleuchtung der Brennebene von ca 8 bis 10 mm (im Beispiel also OK). Im Fokus befindet sich die Brennebene für Okulare etwa ±10 mm innerhalb oder außerhalb des OAZ. Nun sieht man in den Grafiken auch deutlich, dass die Brennebene für die visuelle Beobachtung viel weiter, als eigentlich für die visuelle Beobachtung notwendig, außerhalb des Tubus liegt. Aber das ist eben eine Kompromisslösung, wenn man an einem Newton beides möchte. Wäre die Brennebene weiter Richtung FS, könnte der FS selbst kleiner werden – bei gleicher Ausleuchtung, was den Kontrast und auch die Schärfe visuell positiv beeinflussen würde.

Es gibt für solche Geräte natürlich auch kurzbauende Okularauszüge, mit denen die Ausleuchtung für Fotografie durch den bestehenden FS besser ausgenutzt werden könnte. Aber dazu müsste der Abstand HS – FS vergrößert werden! Und: ein solcher OAZ ist auch teurer. Also ist insofern der Beispiel-Newton schon eine gute und preiswerte Lösung. Aber gewiss nicht die optimale, die teurer sein würde.

Aber sehen wir uns mal an, was ein kurzbauender OAZ für die Fotografie aus unserem Newton machen könnte – und vor allem, was da noch alles mit an Kosten und Aufwand dran hängt:

Der foto-optimierte Beispiel-Newton

Ein sogenannter Foto-Newton ist in erster Linie auf bestmögliche Ausleuchtung bei möglichst geringer Obstruktion getrimmt. Dazu sind konstruktive Besonderheiten notwendig. Um den FS mit 50 mm bestmöglich nutzen zu können, muss die Brennebene weiter Richtung FS gebracht werden. Aber warum? Der FS fängt die Lichtstrahlen des HS ein. Diese treffen konisch auf den FS. Bewegen wir also den FS zum Beispiel in Richtung HS, werden weniger Strahlen des HS eingefangen und die Ausleuchtung sinkt extrem ab, wobei die Brennebene noch weiter nach außen wandert:

FS zu nah am HS

Der FS „taucht“ also in den Lichtkegel des HS ein und kann die äußeren Strahlen vom HS nicht mehr einfangen (rot). Die Brennebene liegt extrem weit draußen. Anders nun sieht es aus, wenn man den Abstand FS – HS vergrößert, also auch die Brennebene weiter in Richtung FS verlegt:

Lage des FS OK

Alle Strahlen des HS werden nun eingefangen und in den OAZ geleitet. Der hellgelbe Balken der Brennebene oben zeigt auch die Ausleuchtung an: Hier sind es immerhin fast 19 mm bei gleichem FS! Aber die Brennebene ist nun schon sehr dicht über dem OAZ Was ist passiert? Der FS fängt bei gleicher Größe mehr Strahlen des HS ein, je weiter dieser vom HS entfernt ist, da der HS ja ein kegelförmiges Strahlenbündel liefert. Hier muss man also ansetzen, um die optimalen Bedingungen für eine gute Ausleuchtung des Sensors zu realisieren. Da die Größe des Sensors bekannt ist, kann man nun ein Optimum mit diesem FS zB via MyNewton ermitteln:

Newton optimiert für fotografische Beobachtung

Die Daten zu dieser Grafik:

  • Abstand FS – HS: 688 mm, statt zuvor 653 mm
  • Höhe des eingefahrenen OAZ über Tubus: 50 mm
  • Höhe der Brennebene über dem eingefahrenen OAZ: 55 mm
  • Ausleuchtung der Brennebene: 18,6 mm zu 100 % - bei 22 mm sind es noch ca 97,9 %.
  • Obstruktion durch FS: ca 33 % linear, 10,8 % flächenbezogen.

Das klingt alles sehr gut. Jedoch benötigt man für solche Optimierungen nicht einfach nur einen neuen OAZ, sondern auch einen längeren Tubus! Denn die Verlängerung des Abstandes vom HS zum FS von satten 35 mm kann mit den Justierschrauben des HS allein nicht mehr bewerkstelligt werden. Natürlich wäre dieser Newton auch noch visuell sehr gut zu gebrauchen (dann wieder mit einer Verlängerungshülse), aber eben mit dem Kompromiss des dafür eigentlich etwas zu großen FS.

Wer also mehr Wert auf die Fotografie legt, wird den Newton wohl eher dahingehend optimieren. Ein vernünftiger OAZ mit einer Bauhöhe von minimal nur ca 50 mm kostet ab ca € 250,-, aufwärts. Einen Tubus kann man sich besorgen: Hartpapier-Tubus, Karbon-Tubus zB oder aber den Tubus mit geeignetem Material selbst verlängern stehen hier zur Auswahl. Die wichtigsten optischen Bauteile (FS und HS) bleiben.

Will man eine Tubusverlängerung nicht in Kauf nehmen, braucht man eigentlich auch keinen anderen OAZ, es sei denn, dass der OAZ ein zu langes Auszugsrohr hat und dieses in Fokuslage mit einer Kamera störend in den Tubus ragt. Um eine volle Ausleuchtung von ca 20 mm zu erreichen, sollte dann aber der FS größer werden: Um auf die gleiche Ausleuchtung wie mit einer Verlagerung der Brennebene zu kommen, sollte im Beispiel ein FS von ca 55 mm eingebaut werden, wobei die lineare Obstruktion auf ca 36,2 % ansteigt, flächenbezogen ca 13,1 %. Das wäre ebenfalls durchaus vertretbar, jedoch eben nicht das theoretisch erreichbare Optimum.


Der visuell optimierte Beispiel-Newton

Bei der Optimierung eines Newton für die rein visuelle Beobachtung spielen im Prinzip die gleichen Kriterien eine Rolle, wie für die fotografische Optimierung: Bestmögliche Ausleuchtung bei kleinstmöglicher Obstruktion. Nur die Voraussetzungen sind anders. Zum einen muss die Brennebene in den OAZ rein (nicht wie für Fotografie, weit außerhalb), zum anderen braucht man i.d.R. nur ca 10 mm Ausleuchtung der Brennebene. Und da geht bei unserem Beispiel-Newton so einiges zu optimieren.

Da sich die Brennebene für Okulare in etwa der Nähe des Endes des OAZ befindet, kann hier nun diese Brennebene noch weiter in Richtung FS verlagert werden. Das bedeutet, dass dazu der Abstand FS – HS noch weiter vergrößert werden muss und wieder ein kurzbauender OAZ dran muss. Aber nur so erreicht man die kleinstmögliche Obstruktion. Das sieht dann so aus:

Newton optimiert für visuelle Beobachtung

Die Daten zu dieser Grafik, jetzt für den visuell optimierten Newton:

  • Abstand FS – HS: 740,5 mm, statt zuvor 653 mm
  • Fangspiegel: 35 mm kleine Achse
  • Höhe des eingefahrenen OAZ über Tubus: 50 mm
  • Höhe der Brennebene über dem eingefahrenen OAZ: 5 mm
  • Ausleuchtung der Brennebene: 9,8 mm zu 100 % - bei 13 mm sind es noch ca 97 %.
  • Obstruktion durch FS: ca 23 % linear, 5,3 % flächenbezogen.

Das bedeutet, dass die lineare Obstruktion um satte 10 % verringert ist, was sich garantiert in einer besseren Abbildungs- und Kontrastleistung niederschlägt. Das bedeutet aber auch, dass diese visuelle Optimierung noch etwas teurer wird. Denn der Tubus muss nun ca 88 mm länger werden, damit die Brennebene weiter zum FS kommt. Zusätzlich braucht man neben dem obligatorischen kurzen OAZ noch den kleineren FS von 35 mm. Ein so umgebauter Newton ist fotografisch mit zB einer Canon EOS D nicht mehr nutzbar, da man mit dieser Kamera nicht mehr in den Fokus gelangt. Mit anderen Kameras mag es evtl noch möglich sein, jedoch wird nur ein Feld von ca 10 mm ausgeleuchtet.


Fazit

Der Standard-Newton (siehe oben) ist mit dem vorhandenen OAZ eine brauchbare Kompromiss-Lösung für visuelle als auch fotografische Nutzung. Ein kürzerer OAZ würde fotografisch ein wesentliches Plus bringen, ohne spürbare Nachteile für die visuelle Beobachtung. Diese Modifikation ist allerdings aufwendig, da der Tubus verlängert werden müsste, um den vorhandenen FS fotografisch sinnvoller nutzen zu können. Optional könnte für die visuelle Nutzung eines so gebauten Newtons auch noch ein zweiter, kleinerer FS mit Halter angeschafft werden, der dann bei Bedarf ausgetauscht wird.

Eine rein auf visuelle Nutzung ausgerichtete Optimierung ist fotografisch fast(!) unbrauchbar, könnte aber bei Aufnahmen zB mit einer Planetenkamera mit kleinem Bildsensor punkten, wenn man mit der Kamera in den Fokus kommt


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