Justierung einer Schmidt-Kamera

zur Startseite

Justierung einer Schmidt-Kamera

Wolfram Fischer, Febr. 2003, überarbeitet Juli/August 2007

Grundsätzliches

Auch in heutigen Zeit verspricht der Einsatz einer Schmidt-Kamera, mit klassischen fotografischen Emulsionen oder elektronischen Sensoren, hochinteressante Ergebnisse. Ein großes Bildfeld, gepaart mit extremer Lichtstärke und Abbildungsschärfe, sprechen für sich! Voraussetzung für den erfolgreichen Einsatz eines so leistungsfähigen astrofotografischen Instruments ist jedoch die exakte Kamerajustierung (Ausrichtung der optischen- und mechanischen Komponenten). Die geometrisch-optischen Eigenheiten des Schmidt-Systems und die darauf abgestimmte Konstruktion des Kamerakörpers sind der Rahmen dieser Tätigkeit.
Die Optik eines klassischen Schmidt-Spiegels besteht aus einem Kugelspiegel, dessen Komafehler eine Öffnungsblende im Krümmungsmittelpunkt beseitigt. Die sphärische Aberration des Spiegels wird durch die in der Öffnungsblende befindliche Korrektionsplatte, senkrecht und mittig zur optischen Achse platziert, behoben. Das Bildfeld innerhalb der Kamera, genau zwischen Spiegel und Korrektionsplatte, ist zum Spiegel zu kugelförmig gewölbt. Der Radius dieser Krümmung entspricht der Brennweite des Spiegels. Diese Bildfeldwölbung kann mit einer dünnen Plankonvexlinse, dicht vor dem Sensor, behoben werden. Deren Krümmungsradius (Vorderfläche) muss f/3 betragen (gültig bei n = 1,5).
Um zu vermeiden, dass geneigt einfallende Strahlenbündel teilweise am Spiegel vorbei fallen (Abschattung oder Vignettierung genannt), muss dieser stets größer als die Korrektionsplatte sein. Die Größe des Spiegels entscheidet damit wesentlich über den brauchbaren Bildwinkel einer Schmidt-Kamera.
Nach dem Einbau der Optik gilt es die oben geschilderte Geometrie einzurichten, und möglichst mit dem gesamten Sensor die Bildfläche im Brennpunkt der Optik, (bei sehr lichtstarken Kameras) auf etwa 1/100 mm genau, zu treffen. Dies kann, vor allem bei Eigenbaukameras, ein schwieriges Unternehmen werden.
Die im Folgenden geschilderte Vorgehensweise basiert auf meinen langjährigen Erfahrungen mit einer Schmidt-Kamera 200/240/356. Konstruktion und Kamerabau stammten von Ing. Wolfgang Roloff aus Birkholz (Anfang der 80iger Jahre, Konstruktionszeichnung siehe 014.pdf.Seite 236). Die Optik lieferte Michael Greßmann. Besonderheiten im Aufbau des Kamerakörpers haben natürlich Auswirkungen auf die Durchführbarkeit der hier beschriebenen Justierschritte. Mit kommerziellen Kameras habe ich keine Erfahrung! Dennoch denke ich, mit dieser Anleitung wichtige Informationen für den grundsätzlichen Umgang mit Schmidt-Kameras weiterzugeben.

Die Justierbarkeit der Filmfläche war in meiner Kamera folgendermaßen gelöst:

1 = Haltekreuz, 2 = Stempelachse, 3 = 8 Justierschrauben, 4 = Stempel (diente zur Feinfokussierung, auf diesen drückte von unten eine kalottenförmig gedrehte Ringkassette zur Filmaufnahme. Die Ringkassette wurde arretiert über eine Zugstange, die durch die Stempelachse geschoben und in der Kassette verschraubt wurde.) 5 = Fokussiergewinde, 6 = Klemmung (auf die Klemmung habe ich später verzichtet, da sie zu Bildfeldverkippungen führte. Der Fokusstand wurde besser über Indexstriche abgelesen und bewahrt.) Ringkassette und Zugstange sind hier nicht dargestellt.

Auf welches Ausmaß an Schwierigkeiten ich bei der Justierung meiner Schmidt-Kamera stieß, kann man unter Bild: 19830813.SK.Gn.M57 und Bild: 19840730.SK.Stb.Lyr lebendig nachlesen. Möge Ihnen hierdurch etwas derartiges erspart bleiben!
Gehen wir nun die einzelnen Justierschritte durch.

Markierung Spiegel- und Korrektionsplattenmitte

Vor dem Einbau der Optik muss die Mitte von Spiegel und Korrektionsplatte (auf Innenseite), mit Hilfe eines wischfesten Faserstiftes (z.B. LUMOCOLOR permanent), mit einem Punkt versehen werden. Beim Spiegel gilt es die Mitte der wirksamen Fläche zu kennzeichnen, die sich nach dem Einbau in die Spiegelfassung ergibt. An die Platzierung dieses Punktes wird keine übermäßige Genauigkeit gestellt.
Dies ist bei der Korrektionsplatte ganz anders. Ihre Mitte falsch zu markieren, bedeutet ihre optische Achse falsch auszurichten. Auf deren seitlichen Versatz reagiert das Bild ziemlich empfindlich. Es entstehen verwischte Sternfiguren (Koma). Hier muss eine Genauigkeit von annähernd 0,1 mm erreicht werden. Entsteht dennoch trotz größter Sorgfalt Koma, kann dafür eine herstellungsbedingte Anomalie in der Korrektionsplatte verantwortlich sein. Hier helfen nur schrittweise seitliche Verschiebungen der Korrektionsplatte und Testaufnahmen. Mehr dazu später.

Einrichtung des Korrektionsplattenabstandes

Wenn Sie, eine Lampe neben dem Kopf haltend, von vorn in die Kamera schauen, kann man auf der Optik, neben unzähligen Staubkörnern (es sieht immer furchtbar aus), die markierten Mittelpunkte sehen. Der Abstand der Korrektionsplatte sollte so eingerichtet werden, dass das Spiegelbild des auf der Innenseite angebrachten Korrektionsplattenmittelpunktes in genau gleicher Entfernung erscheint:
Fallen nicht zufällig der Punkt und sein Spiegelbild zusammen, ist dieses Spiegelbild, etwas blasser als das Original, mehr oder weniger dicht daneben (und ebenso groß) auffindbar. Durch unser räumliches Sehen, ist eine Entscheidung darüber möglich, ob dieses Spiegelbild vor oder hinter der Korrektionsplatte in der Luft abgebildet wird. Über die Justierschrauben in der Korrektionsplattenfassung muss der Abstand so eingerichtet werden, dass das Spiegelbild auf der Innenfläche der Korrektionsplatte erscheint. Über einen Millimeter mehr oder weniger wollen wir uns da nicht streiten. Die Korrektionsplatte befindet sich damit ausreichend genau im Krümmungsmittelpunkt des Spiegels.

Ausrichtung des Spiegels auf die Korrektionsplatte

Mit Hilfe der 3 Justierschrauben hinter der Spiegelzelle wird nun der Spiegel so gekippt, dass das Spiegelbild des Korrektionsplattenmittelpunktes mit dem Originalpunkt exakt zur Deckung kommt.

Festlegung des Fokussierbereichs

Bevor die Stempelachse genau justiert wird, sollte ihre Position längs der optischen Achse festgelegt werden, damit der Fokus, auch bei Verwendung von Filtern im Strahlengang, (Bildweite wandert fast um die Dicke des Filters vom Spiegel weg!), günstig zu liegen kommt. Dies kann man am Tage mit einem weißen Papier in der Filmkassette und einem fernen Landschaftsrelief (oder am Mond) erreichen. Man schaut durch ein Zugriffsloch auf die Abbildung.

Justierung der Stempelachse

Der gekennzeichnete Korrektionsplattenmittelpunkt, mit seinem zur Deckung gebrachten Spiegelbild, ist der wichtigste und einzig verlässliche Anhaltspunkt zur Ausrichtung der Stempelachse und damit der Filmfläche! Die Abbildung 2 verdeutlicht die geometrischen Verhältnisse:

Abb.2

Bemerkenswert ist hier, dass die Bildfläche senkrecht zu einer Linie steht, die von irgendeinem Punkt des Spiegels durch den Korrektionsplattenmittelpunkt (Krümmungsmittelpunkt) verläuft. Im optischen System einer Schmidt-Kamera besitzt der Spiegel also beliebige, zum Krümmungsmittelpunkt ausgerichtete optische Achsen (natürlich nicht das Schmidt-System insgesamt)! Schon um eine unsymmetrische Vignettierung im Bild auszuschließen, ist es sinnvoll, die Stempelachse auch auf den Spiegelmittelpunkt auszurichten. Ebenso wäre die in Abb.2 dargestellte Schieflage der Korrektionsplatte (nicht senkrecht zur Stempelachse) optisch ungünstig. Dies würde aber durch einen späteren Justierschritt beseitigt.
Vorgehensweise: Es gilt die Röhre der Stempelachse, ohne jede Verkantung, in ihrer ganzen Länge mit äußerster Sorgfalt konzentrisch auf die Verbindungslinie Korrektionsplattenmitte - Spiegelmitte auszurichten (siehe "Durchblick" Abb.2). Dies geschieht mit den 8 Justierschrauben im Haltekreuz. Man kann sich unglaublich hineinsteigern und winzige Abweichungen erkennen. Die Genauigkeit lässt sich weiter steigern, indem die Kamera zum Durchblick wiederholt um 90 Grad gedreht wird. Aber nicht vergessen, primär ist die Ausrichtung auf den Korrektionsplattenmittelpunkt! Daher macht es Sinn, die Spiegelzelle gegen Ende auszubauen und von unten durch die Stempelachse auf den Korrektionsplattenpunkt zu justieren. Die Genauigkeit wird noch besser. Man sieht schließlich förmlich "das Gras wachsen" und kann so, nach Stunden anstrengender Tätigkeit, eine fast schon brauchbare Ausrichtung der Filmfläche erreichen. Nach Abschluss der Arbeiten sollten die 8 Justierschrauben fest genug angezogen sein, um ein Herausstürzen der Stempelachse unmöglich zu machen. Nach dem Wiedereinbau des Spiegels muss das Spiegelbild des Korrektionsplattenmittelpunktes wieder genau in Deckung gebracht werden.
Eine noch weiterführende Feinjustierung an den 8 Schrauben wäre ein Lotteriespiel und reine Zeitverschwendung. Die Sache ist jetzt hier abgeschlossen.

Ausrichtung der Korrektionsplattenlage rechtwinklig zur Stempelachse

Bevor die ersten Testaufnahmen erfolgen können, muss noch die senkrechte Lage der Korrektionsplatte zur optischen Achse des Schmidt-Systems eingerichtet werden. Die Genauigkeitsanforderungen sind hierbei nicht hoch.
Benötigt wird dafür ein Lot (einen Zwirnsfaden durch die Mitte eines Sauggummis ziehen, am Fadenende eine Nähnadel zur Beschwerung anbringen) und eine kleine Waaglibelle (an manchen Astrostativen vorhanden).
Der Sauggummi des Lots wird vorsichtig von innen mittig auf den Korrektionsplattenmittelpunkt festgedrückt und der Faden durch die Stempelachse geführt. Die Kamera muss jetzt präzise senkrecht ausgerichtet werden, damit der Faden mittig durch die Stempelachse, auf den Spiegelmittelpunkt zeigend, frei hängt. Am einfachsten gelingt dies auf der Montierung.
Ist dies erreicht, wird vorsichtig von oben die Waaglibelle auf die Korrektionsplatte gelegt. Mit Hilfe von Justierschrauben in der Korrektionsplattenfassung lassen sich Abweichungen von der horizontalen Lage beheben.
Mit Beendigung dieses Arbeitsschrittes sind die Vorjustierungen am Tage abgeschlossen. Die Abweichungen von einer perfekten Ausrichtung sind schon gering. Dennoch fangen nun die eigentlichen Schwierigkeiten erst an.

Eine einfache Fokussiermöglichkeit

Es soll möglich sein, den Fokus schnell und einfach auf folgende Weise zu ermitteln:
Man nehme ein Teleskop mit etwa gleicher Öffnung wie die Schmidt-Kamera, stelle sein Bild mit einem schwach vergrößernden Okular an einem astronomischen Objekt scharf und bringe anschließend das Instrument in eine Position, die es gestattet, mit diesem von vorn in die Schmidt-Kamera zu schauen. Ist die Filmfläche exakt im Fokus, muss diese jetzt im Okular des Teleskops scharf angebildet erscheinen!
Ob damit allerdings knackig scharfe Bilder möglich werden, wage ich zu bezweifeln. Sie werden um Testaufnahmen nicht herum kommen.

Fokustestaufnahmen

Die Durchführung von Testaufnahmen (ganz allgemein) wird mit Sicherheit einige Zeit beanspruchen und die Geduld auf eine Probe stellen. Mit CCD-Technik geht das natürlich leichter und viel schneller. Meine Ausführungen beziehen sich aber auf die klassische Fotografie:
Zunächst muss die genaue Scharfeinstellung ermittelt werden. Zu empfehlen ist, von Anfang an, sich auf die Verwendung eines Filters (z.B. Lumicon Deep-Sky-Filter oder Lumicon H-alpha Pass-Filter oder eines Filtersatzes mit gleichem optischen Weg, z.B. Astronomik LRGB-Filtersatz 2c) und auf die Verwendung einer Emulsion (z.B. ungehyperter TP 4415 oder TP 6415) einzustellen. Man vermeidet dadurch unnütz viele Tests, denn jeder Film ist anders dick und jeder Filter verlängert den Strahlengang anders!
Bei der Durchführung von Testaufnahmen sollte sogleich mit nachgeführten Teilbelichtungen begonnen werden. Sternspuraufnahmen gehen auch, zeigen aber nicht alles, z.B. wenn die Koma ausgerechnet in Sternspurrichtung verläuft.
Wie habe ich solche Aufnahmen durchgeführt:
Dazu richtete ich die Kamera auf ein Himmelsareal mit einem sehr hellen Stern (z.B. Wega). An dessen Abbildung kann das Erscheinen eines deutlichen oder verwischten Strahlenkreuzes viel über eine mögliche seitliche Fehllage der Korrektionsplatte aussagen. Nach jeder Teilbelichtung a 30 Sekunden wurde vorsichtig der Verschlussdeckel aufgeschraubt, die Zugstange etwas gelockert, der Stempel zum nächsten Indexstrich (0,05 mm Fokusgang) weitergedreht und die Filmkassette entgegengesetzt in Ausgangsposition ungefähr zurückgedreht. (Dafür war an der Filmkassette eine tastbare Markierung eingesägt.) Man darf dabei auch eine kleine Taschenlampe zu Hilfe nehmen. Nun wurde die Zugstange wieder leicht festgeschraubt, die Feinbewegung in Deklination ein kleines Stück weitergestellt, der Verschlussdeckel abgeschraubt und der Strahlengang zur nächsten Teilbelichtung freigegeben. Der Vorgang begann von Neuem. Die letzte Teilbelichtung (meist die 10.) wurde zwecks Kennzeichnung ein 2. Mal ohne Antrieb als Strichspur belichtet.
Dies klingt vielleicht kompliziert, geht aber schnell in Fleisch und Blut über. Nun geht man in die Dunkelkammer und notiert sich zuerst die verwendeten Fokuseinstellungen. Das Negativ wird im Dunkeln 2 Minuten im Entwicklerbad anentwickelt, in Wasser kurz abgespült, dann 60 Sekunden in Fixierbad getaucht und anschließend mit Wasser abgespült. (Wenn das Negativ noch sehr weiß aussieht, braucht es eine längere Fixierzeit.) Nach dem Fixieren kann Licht gemacht werden. (Man kann übrigens zu solchen Tests auch Farbemulsionen mit s/w Entwickler auf gleiche Weise zur Auswertung bringen.) Das Negativ soll ja nicht ewig halten oder unbedingt alles zeigen.
Mit einem 16 mm Okular, falsch herum gehalten, hat man die richtige Lupenvergrößerung, um das Negativ anzuschauen. Sicherlich ist der optimale Fokus noch nicht getroffen, aber die Richtung steht fest. Mit 2 oder 3 weiteren Aufnahmen, schließlich mit 0,025 mm Fokusschritten, sollte man zum Ziel kommen.

Eine rechnerische Fokussierhilfe

Um Fokusdifferenzen und Bildfeldverkippungen quantitativ bestimmen und vergleichsweise schnell beheben zu können, entwickelte ich eine einfache Rechenmethode. Näheres, auch der theoretische Hintergrund, sind meinem Artikel in der Zeitschrift "Astronomie und Raumfahrt" Heft 4/1989 zu entnehmen. Die Anwendung dieses Verfahrens kann ich unbedingt empfehlen.
Benötigt wird ein einfaches Mikroskop, mit dem sich Längen auf 1/100tel Millimeter genau ausmessen lassen. Damit werden die Durchmesser schwacher Sternscheibchen auf den Negativen bestimmt. Für die Rechnung brauchen wir noch einen angenommenen Idealdurchmesser scharfer schwacher Sternscheibchen (hier im Beispiel mit 0,015 mm angesetzt, ich selbst rechnete immer mit 0,02 mm) und die Blendenzahl der Schmidt-Optik (im Beispiel unten 1,5). Die Blendenzahl ist zugleich auch das Zahlenverhältnis zwischen dem Durchmesser des an der Filmfläche angeschnittenen Strahlenkegels und der Entfernung zum Brennpunkt.
Daraus ergibt sich folgende einfache Rechnung: Wird ein Scheibchendurchmesser von 0,5 mm festgestellt, rechnet man, gültig für eine Schmidt-Kamera mit einer 200 mm Korrektionsplatte und 300 mm Brennweite:
0,5 - 0,015 = 0,485 mm und 0,485 x 1,5 = 0,7275 mm Die Filmfläche befand sich am Ort des gemessenen Sterns 0,7275 mm vom Brennpunkt entfernt. Die größte Unsicherheit dieses Verfahrens liegt in der Messung der diffusen Sternscheibchendurchmesser!

Behebung einer Filmflächenverkippung

Wenn die Sterne über das Bildfeld verteilt ungleichmäßig scharf sind, vielleicht an einer Stelle komaartig verwischt oder dreieckig abgebildet werden, liegt das primär an einer kleinen Verkippung der Filmfläche zur Bildfläche. Als Mitverursacher der Koma muss aber zugleich eine seitliche Fehlausrichtung der Korrektionsplatte im Auge behalten werden. Welcher der beiden Fehler zuerst zu beheben ist, entscheidet ihre Dominanz. Sind die Sterne auf einer Seite des Bildes deutlich schärfer als auf der gegenüberliegenden, würde ich zunächst die Filmflächenverkippung angehen. Auch diese kann eine leichte Koma vortäuschen!
Es wird nun ein Testbild benötigt, welches eine Lagezuordnung in der Kamera gestattet. Nach dem Einlegen des Films wird dieser, an der Stelle einer Kassettenmarkierung, mit einem Kratzer versehen, in reproduzierbarer Position in die Kamera geschraubt und 1mal 30 oder 60 Sekunden belichtet.
Mit dem Mikroskop und obigen einfachen Rechnungen lässt sich nun ungefähr bestimmen, welche Stelle der Filmfläche wie weit vom Fokus entfernt liegt. Damit ist bekannt, in welche Richtung und um welchen Betrag die Kassette gekippt werden muss. Es gilt nur noch zu klären, ob die Sternzerstreuungskreise intra- oder extrafokal liegen. Dies lässt sich mit einem Fehlversuch herausfinden.
Um solche winzigen Filmflächenverkippungen gezielt zu beheben, klebte ich auf die Stempelandruckflächen der Ringkassetten, an ermittelter Stelle und Dicke, kleine Papierstückchen. Das Papier hatte ich zuvor mit einem Schraubenmikrometer in seiner Dicke vermessen. Auf diese Weise kam ich sehr schnell zu einer deutlichen Verbesserung. Die Zugstange presste die Kassette jetzt etwas verkantet gegen den Stempel. Natürlich musste nun die Kassette immer in gleicher Drehlage (Markierung) eingesetzt werden.
Es sei noch darauf hingewiesen, dass es mit klassischem Film ohne Ansaugvorrichtung immer kleine Zufälligkeiten in der Abbildungsschärfe geben kann. Der Film liegt an der Kalotte nur mehr oder weniger gut an , (vom möglichen Beulen des Films ganz zu schweigen). Man lernt mit der Zeit, wann es Sinn macht an der Justierung Verbesserungen zu versuchen und wann nicht.

Die seitliche Ausrichtung der Korrektionsplatte

Werden die Sterne über das Bildfeld etwa gleich groß (scharf) abgebildet, das Strahlenkreuz heller Sterne jedoch undeutlich und schwache Sterne dreieckig bis komaartig verwischt wiedergegeben, kennzeichnet der markierte Korrektionsplattenmittelpunkt nicht die optische Achse der Platte. Sie muss irgendwie seitlich verschoben werden. Die optische Achse der Platte kann herstellungsbedingt von ihrem geometrischen Mittelpunkt abweichen! Bei meiner Korrektionsplatte handelte es sich um ca. 1,5 mm.
Defokussierte Testaufnahmen zeigen in Bildmitte Sternkreise mit aus der Mitte versetzten Haltekreuzschatten. Nah am Ziel führt man Testaufnahmen durch, wie zuvor unter "Behebung einer Bildflächenverkippung" beschrieben. Die Auswertung und Lagekorrektur erfolgt nach folgender Skizze (KP = Korrektionsplatte):

Das Ganze ist hiermit nur noch ein Problem der Lagezuordnung in der Kamera.

Die theoretische Abbildungsleistung einer Schmidt-Kamera

Lichtstarke fotografische Systeme, auch Schmidt-Kameras, arbeiten niemals beugungsbegrenzt! Bei 200 mm Öffnung haben zentrale Beugungsscheibchen, bei λ = 550 nm, einen Winkeldurchmesser von 1,38". Diese würden bei f/1,5 lediglich 0,002 mm groß abgebildet. Einerseits sind die extrem geringen optischen Herstellungstoleranzen kaum einhaltbar, andererseits wird durch die Korrektionsplatte, die winzige prismatische Effekte einführt (chromatische Aberration), eine derartige Abbildungsleistung unmöglich. Im Übrigen würde eine solche Bildschärfe kein Film und auch kein CCD-Sensor wiedergeben (und justieren möchte ich das auch nicht)!
Schmidt-Kameras sind fotografisch optimierte Systeme. Diese sind gemäß den Anforderungen, für mehrere Grad große Bildfelder, berechnet. Optiktheoretiker sprechen hier von optimierten Zerstreuungskreisen, nicht von Beugungsbildern. Die Zerstreuungskreise einer klassischen Schmidt-Kamera können theoretisch, je nach Wellenlänge, 0,015 mm Durchmesser nicht unterschreiten!

(neuer Zähler, 09.2013)