Fokusänderung bei Temperaturänderung in Apos

[Engl_Thomas]

Servus Sternfreunde

Hoffe, ich bin mit meiner Frage im richtigen Unterforum??

Folgendes: wenn ich einen APO fotografisch verwende und diese Optik ausgekühlt ist, so muss man natürlich doch die Temperaturänderung in einer Nacht im Auge behalten und je nach dem nachfokussieren. Nun würde mich interessieren, inwieweit welche Objektive bei Temperaturänderungen Vor- oder Nachteile haben, wie z.B. 2-linser (z.B. Takahashi FS oder FC oder Skywatcher), oder 3-Linser mit Luftspalt (z.B. AP oder APM oder Takahashi TOA), oder gar 3-Linser ölgefügt (z.B. TEC oder AP) usw.
Spielt auch die Linsenfassung und oder die Öffnung dabei eine entscheidende Rolle?

Lg
tom

 

[P_E_T_E_R]

Hallo Tom, der dominierende Effekt kommt nicht vom Objektiv, sondern von der Veränderung der Tubuslänge, insbesondere dann, wenn der Tubus wie üblich aus Aluminium ist. - Gruss, Peter

 

[ESEurope]

Hallo Peter,

das ist nicht richtig. Es dominiert die Änderung der Brechungsindizes der Gläser. Die Temperaturdrift kann je nach Gläsern im Bereich um das vier- bis fünffache der Ausdehnung von Alu erreichen.

Die Frage nach den Vor- und Nachteilen von verschiedenen Systemen kann so nicht einfach beantwortet werden - sehr komplexe Abläufe. Nur die Gleichgewichtszustände sind mathematisch einfach - der Rest ist (sauteure) Simulation bzw. Tests.

Clear skies

Tassilo

 

[Soffel]

Hallo Tassilo,
das ist ja sehr interessant und würde ja bedeuten, dass jedes Teleskop neben "seinem Himmel" auch seinen "optimalen Temperatur-Bereich" hat. Ich habe nur mal gehört, dass die Willis eigtl. nur für die californischen Sommer optimiert sind und bei unseren europäischen Wintern suboptimal sein sollen... Jetzt wird mir auch klar, weshalb so viele Optiken russischer Bauart so gut abschneiden :smiley47:

 

[alexw231]

Hallo miteinander,

man sollte bei der praktischen Anwendung auch nicht übersehen, dass einem bei erreichen des Taupunktes die Gläser zutauen.

Seitdem ich Sommer wie Winter mit Heizmanschette fotographiere, hält sich das Nachfokussieren in Grenzen.

 

[P_E_T_E_R]

Es dominiert die Änderung der Brechungsindizes der Gläser. Die Temperaturdrift kann je nach Gläsern im Bereich um das vier- bis fünffache der Ausdehnung von Alu erreichen.

Hallo Tassilo, das hätte ich jetzt nicht erwartet, aber da hast Du wohl mehr Erfahrung als ich. Gibt es Literatur dazu? - Gruß, Peter

 

[Gerd_Duering]

Hallo Peter,

Hallo Tassilo, das hätte ich jetzt nicht erwartet, aber da hast Du wohl mehr Erfahrung als ich. Gibt es Literatur dazu?

ja da denkt man im ersten Moment nicht unbedingt dran. Interessant wird das auch bei dem für Refraktoren am besten geeigneten Tubusmaterial.
Das hatten wir mal vor geraumer Zeit diskutiert und es stand die Frage im Raum warum hier ein Alutubus besser geeignet ist als ein Carbontubus.
So die Aussage von Roland Christen damals und keiner konnte sich da einen Reim drauf machen, auch Tassilo nicht.
Wo doch Alu einen viel höheren Ausdehnungskoeffizienten hat als Carbon.
Nun ein Blick in einen Glaskatalog auf die Temperaturkoeffizienten der Lichtbrechung bringt dann des Rätsels Lösung und so konnte ich damals die Sache aufklären.
Also Peter einfach mal in einem Glaskatalog nach den Temperaturkoeffizienten der Lichtbrechung suchen, die finden sich in jedem vernünftigen Glaskatalog, dann erklärt sich das praktisch von allein.

Grüße Gerd

 

[Gerd_Duering]

Hallo Stefan,

das ist ja sehr interessant und würde ja bedeuten, dass jedes Teleskop neben "seinem Himmel" auch seinen "optimalen Temperatur-Bereich" hat. Ich habe nur mal gehört, dass die Willis eigtl. nur für die californischen Sommer optimiert sind und bei unseren europäischen Wintern suboptimal sein sollen... Jetzt wird mir auch klar, weshalb so viele Optiken russischer Bauart so gut abschneiden

nein nicht so wie Du das interpretierst denn die Fokusdrift aufgrund der von Tassilo erwähnten Änderung der Brechzahlen mit der Temperatur kann man ja problemlos am OAZ kompensieren. Da ist es völlig Wust ob du nun das Teleskop in der Kälte Sibiriens benutzt oder im warmen Kalifornien.
Der OAZ hat halt nur im kalten Sibirien eine geringfügig andere Stellung wie im warmen Kalifornien.

Was da mit dem Willi und dem optimalen Temperaturbereich gemeint ist liegt nicht am von Tassilo erwähnten Temperaturkoeffizienten der Lichtbrechung sondern am Ausdehnungskoeffizienten von Glas und Fassung.
Es kommen bei einem Refraktor mindestens 2 verschiedene Gläser zum Einsatz die jeweils unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten haben.
Nutzt man ein Sonderglas dann unterscheidet sich auch dessen Ausdehnungskoeffizient in der Regel stärker von dem verwendeten Partnerglases. Deshalb ist es nicht empfehlenswert zb. einen ED zu Verkitten wie man das bei einfachen Achromaten machen kann.
Zu den unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Gläser kommt nun noch der des Fassungsmaterials. Das bedeutet letztlich das der Spalt zwischen Linse und Fassung Temperaturabhängig ist und je nach Temperatur klappert die Linse in der Fassung oder wird verspannt um mal die extreme zu nennen.
Es gibt aber einen Temperaturbereich bei dem es zu keinem von beiden kommt und das ist eben der Bereich für den die Optik konstruiert wurde.
Man kann auch mit Temperaturkompensierenden Fassungen diesen „Arbeitsbereich“ vergrößern.
Eine Möglichkeit ist die Verwendung von Zentrierschrauben aus einem speziellen Material dessen Ausdehnungskoeffizient mit denen vom Glas und Fassung abgestimmt ist.

Grüße Gerd

 

[P_E_T_E_R]

Also Peter einfach mal in einem Glaskatalog nach den Temperaturkoeffizienten der Lichtbrechung suchen, die finden sich in jedem vernünftigen Glaskatalog, dann erklärt sich das praktisch von allein.

Lieber Gerd, vielen Dank für den Hinweis, darauf hätte ich natürlich auch selber kommen können ...

Der temperaturabhängige Formalismus für den Glaskatalog von Schott wird z.B. hier ganz gut erklärt:

Temperature Coefficient of Refractive Index (dn/dT)

und die Daten für die verschiedenen Schott Gläser gibt's hier:

Schott Optical Glass -> Optical Glass Overview

Z.B. für N-BK7 variiert der Index um 1-2 x 10^-6 pro Grad.

Gruß, Peter

 

[Soffel]

Hallo Gerd,
vielen Dank für die Klarstellung und Aufklärung!

 

[astro_ebi]

Hallo Peter,

Hallo Tom, der dominierende Effekt kommt nicht vom Objektiv, sondern von der Veränderung der Tubuslänge, insbesondere dann, wenn der Tubus wie üblich aus Aluminium ist. - Gruss, Peter

Für meinem Selbstbau-Tubus mit TMB 152/1200 Objektiv verwende ich einen Krüpax Tubus, in dem Invarstäben eingezogen sind. Auch da war vorher der deutlich dominierende Effekt die Langenveränderung der Tubus und nicht die thermische Veränderung des Objektivs. Insofern kann ich deine Aussage nur bestätigen.

LG
Eberhard

 

[alois]

Hallo Thomas

Habe da einmal eine Messung an einem ölgefügten Astro Physiks 3 Linser Apo 180 / 1620 mm gemacht.
Der hat seine Brennweite bei 8° Temperaturabsenkung um 0,4 mm verkürzt und das Objektiv wurde
so unterkorrigiert dass der Brennweitenunterschied vom Rand zur Mitte 0,3 mm betragen hat.
Siehe das Bild.
Aluminium würde sich bei diesen Temperaturunterschied um 0,27 mm und Stahl um 0,14 mm verkürzen.
Die Dehnungskoeffizienten der anderen Materialien kenne ich nicht. Aber Aluminium scheint hier ganz gut zu sein.
Wenn man das Interferogramm an sieht, ist zu er kennen das die Brennweitenverkürzung sehr stark durch
die Linsenverformung entsteht aber die Änderung des Brechungsindizes trägt sicher auch seinen Teil bei.

Vergnügliches Nachfokusieren
Alois

 

[ws_mak12]

Hallo Alois,

das von dir vermessene Objektiv ist mir bestens bekannt... . Ja, es braucht immer ein wenig, bis es nahezu perfekte Bilder zeigt.

Viele Grüße
Werner

 

[alois]

Hallo Werner

Ja da damit hast du schon deine Erfahrungen gesammelt.

Heute hat mir Guntram Lampert per E-Mail geschrieben.

Eigentlich müsste sich die Brechkraft der Luft auch ändern und daher die Brennweite beeinflussen!

Ja da hat er recht, der Einfluss ist sehr klein aber auch trotzdem interessant zu wissen.
Dazu habe ich einmal eine Angabe gefunden und sofort aufgeschrieben. Ich weis aber nicht mehr sicher wo ich das gefunden habe.
In dumpfer Erinnerung dürfte ich dies aus einem Beitrag von Kurt Schreckling entnommen haben.

Die optische Weglängendifferenz der Luft beträgt bei einer Weglänge von 1000 mm und 1°
Temperaturveränderung 1,933 Lambda der Wellenlänge 632 nm
Das wären nach meiner Rechnung bei f 1620 mm und 10° Temperaturnterschied nur 0,0198 mm.
Das ist bei f/9 noch nicht, aber bei f/4 und guten Seeing vielleicht schon bemerkbar.
Jedoch wenn dieser Temperaturunterschied im Rohr von Oberseite zur Unterseite besteht
dann führt dies zu einer beträchtlichen Unschärfe.
Weil ein Wellenfrontfehler von 1 Lambda P-V, haut den Strehl mehr als 50% herunter.
Da hat der Refraktor den großen Vorteil. Weil bei ihm hat der Strahlengang nur in der Objektivnähe
den vollen Durchmesser und verkleinert sich bis zum Brennpunkt auf Null.
Hingegen bei Newtons und SCs geht zuerst der parallele Strahl durch die ganze Tubuslänge
und wird von ihr voll beeinflusst.

Viele Grüße
Alois

 

[schubi]

Hallo Zusammen,
ich musste auch erleben dass das Zusammenspiel von Optik und Tubus seltsames Verhalten aufweist.
Ich hatte erwartet dass durch das Abkühlen des Tubus während der Nacht das Schrumpfen des Tubus durch Verlängern des optischen Weges ausgeglichen werden muss. Dabei ging ich davon aus, dass die Brennweite der Optik gleich bleibt.
Zu meinem Erstaunen mussten wir den Okularauszug zum Objektiv hin bewegen um in den Fokus zu gelangen. Die Optik war ein Refraktor mit ca. 800mm Brennweite.
Gibt es überhaupt eine Temperaturkompensation die funktioniert ?
Ich stelle es mir schwierig vor einen Ausdehnungskoeffizienten zu ermitteln.

Schön wäre wenn Aufnahmeprogramme z.B. die Halbwertsbreite eines Sterns unmittelbar nach der aufnahme ermitteln könnten und dann die pssende Korrektur vornähmen.
Kann z.B. MaximDL so etwas ?

viele Grüsse

Christian

 

[Soffel]

Schön wäre wenn Aufnahmeprogramme z.B. die Halbwertsbreite eines Sterns unmittelbar nach der aufnahme ermitteln könnten und dann die pssende Korrektur vornähmen.
Kann z.B. MaximDL so etwas ?

viele Grüsse

Christian

Hallo Christian,
Sequence Generator Pro kann sowas.

 

[Gerd_Duering]

Hallo Christian,

Zu meinem Erstaunen mussten wir den Okularauszug zum Objektiv hin bewegen um in den Fokus zu gelangen. Die Optik war ein Refraktor mit ca. 800mm Brennweite.

das Erstaunt nicht wenn du dir mal anschaust was in den vorhergehenden Beiträgen zum Temperaturkoeffizienten der Lichtbrechung gesagt wurde.

Dabei ging ich davon aus, dass die Brennweite der Optik gleich bleibt.

Genau das ist bei einem Refraktor nicht der Fall da sich die Brechzahlen mit der Temperatur ändern.
Dadurch ändert sich automatisch die Brennweite.
Die Brennweitenänderung ist wie von Tassilo schon erwähnt wesentlich stärker als die Längenänderung des ALU Tubus.
Bei fallender Temperatur verkürzt sich die Brennweite eines Refraktors und deshalb musst Du den OAZ in Richtung Objektiv bewegen um das wieder zu kompensieren.
Der schrumpfende ALU Tubus allein kann die Brennweitenverkürzung nicht voll kompensieren.

Gibt es überhaupt eine Temperaturkompensation die funktioniert ?

Ja theoretisch könnte man Materialien mit sehr hohen Ausdehnungskoeffizienten verwenden die tatsächlich eine vollständige Kompensation ermöglichen würden.
Nylon wäre zb. so ein Material.
Man könnte also ein in seiner Länge genau auf die Brennweitenveränderung abgestimmtes Stück Nylon in den Tubus einfügen und so eine vollständige Kompensation erreichen.

Das ist dann das Gegenteil von dem was man bei Spiegel Optiken machen muss.
Hier bleibt die Brennweite konstant und deshalb muss hier ein Material mit möglichst niedrigem Ausdehnungskoeffizienten verwendet werden.

Grüße Gerd

 

[tommy_nawratil]

hallo Gerd,

"Das ist dann das Gegenteil von dem was man bei Spiegel Optiken machen muss. Hier bleibt die Brennweite konstant und deshalb muss hier ein Material mit möglichst niedrigem Ausdehnungskoeffizienten verwendet werden."

Bist du sicher? Ein Parabolspiegel hat brennweitenmässig keinen Temperaturgang? Man kann die Newtons vom Temperatureffekt nicht mit Refraktoren vergleichen, ist viel geringer. Aber man hört immer wieder von Leuten die nachfokussieren müssen - das wäre dann nur wegen dem Tubus? Ich muss es am Karbontubus mehr als am ollen Stahltubus. Das kann doch nicht nur auf den Korrektor zurückgeführt werden, oder?

lg Tommy

 

[Gerd_Duering]

Hallo Tommy,

ja ok das kommt auf das Spiegelmaterial an.
Hast natürlich Recht.
Nicht alle Spiegel sind aus Glaskeramik

Grüße Gerd

 

[schubi]

Hallo Zusammen,

ich habe an hand des Schott Kataloges eine Abschätzung für BK-7 durchgeführt. Als Annahme ging ich von einer einzelnen dünnen Linse mit f=780 mm aus.
Die Abschätzung gilt für 546,1 nm Wellenlänge. BK-7 hat einen Brechungsindex von 1,51680. Als dN/dT ermittelte ich 2,47 e-6.

Nach der Linsengleichung ( f= n/ (n'-n) * r/2 ) mit
n = Brechungsindex Luft,1,0003
n' Brechunsindex Linsenmaterial,
r = Krümmungsradien der Linse

für dünne Linsen kam ich auf einen Krümmungsradius von 803,33 mm. Bei Temperaturdifferenz von 1°C ergab sich ein neuer Brechungsindex von 1,516803.
Diesen Wert in die Linsengleichung eingesetzt führt zu einer Brennweite von 777,894 mm. Das sind mehr als 2 mm !

Ich habe nie vermutet dass sich die geringe Änderung des Brechungsindex so stark bemerkbar macht.
Ein Tubus aus Alumium mit 780 mm Länge würde sich um 0,018 mm verändern.

Ich hoffe mich nicht verrechnet zu haben.
Eine dünne Linse ist natürlich nur eine Näherung für ein Objektiv.
Aber wenn das stimmt ist es auch etwas erschreckend.


beste Grüsse

Christian

 

[P_E_T_E_R]

Hallo Christian, da hast Du Dich aber gottseidank wohl etwas verrechnet.

Ich gehe dabei von der bekannten Formel für die Brennweite einer dünnen Linse aus:

1/f = (n2-n1)(1/R1-1/R2)

woraus folgt

f = [1/(n2-n1)] R1 R2 /(R2-R1)

Das ist für eine symmetrische Bikonvexlinse mit R1 = R = -R2

f = (R/2)/(n2-n1)

In Deiner Nomenklatur wäre das also f = (r/2)/(n'-n).

(In Deiner Formel taucht der Brechungsindex n der Luft dagegen nochmal zusätzlich als Faktor auf. Aber das alleine erklärt noch nicht Dein Ergebnis für den Krümmungsradius, da muss auch noch ein Rechenfehler passiert sein.)

Mit der korrekten Formel und Deinen Zahlenwerten:

(1) Referenzwert bei Temperatur T:

f = 780 mm
n = 1,0003 (Luft)
n' = 1,516800 (BK7 bei 546,1 nm)

-> r = 2f(n'-n) = 805,74 mm

(2) Temperaturänderung ΔT = 1°

Δn = 2,47*10^-6

-> n' = 1,51680247

-> f = (r/2)/(n'-n) = 779,996 mm

wobei für die Rechnung hier angenommen wurde, dass sich der Krümmungsradius r der bikonvexen Linse und der Brechungsindex n der Luft nicht wesentlich mit der Temperatur verändern.

Unter diesen Voraussetzungen ergäbe sich dann für eine Temperaturveränderung von 1° gerade mal eine Brennweitenverschiebung von

Δf = 780 mm - 779,996 mm = 0,004 mm

Mit freundlichen Grüßen,
Peter

 

[conehead]

Hallo Kai,

genau das gleiche Problem hatte ich bei meinem 8" f4 Newton auch. Erst bin ich auf einen carbon Tubus gegangen, aber da war es genau das gleiche spiel. Erst als ich den günstigen Crayford gegen einen Okto getauscht hatte waren die Probleme weg!

BTT

Gruß Markus

 

[tommy_nawratil]

hallo Kai,

eine sehr interessante Untersuchung hast du da gemacht, vielen Dank für den Beitrag!

Die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Bauteile arbeiten in unterschiedliche Richtungen, und das Temperaturprofil über die Nacht ist nie genau dasselbe. Daher können Programme, die mit voreingestellten Fokusprofilen je nach Aussentemperatur arbeiten, den Fokus nicht wirklich ganz genau halten. Je massiver die Bauteile sind (=langsam anpassend), und je schneller die Optiken (=kleinere Tiefenschärfe), desto stärker wird dieses Ungemach wirksam.

Eine mögliche Lösung wäre zB ein ständiges FWHM feedback über den Leitstern im OAG, aber meines Wissens gibt es eine solche Lösung im Amateurbereich noch nicht. Oder?

lg Tommy

 

[yukons]

Na das währe doch eine Aufgabe für den MGEN am OAG :smiley47:

 

[stw]

Hallo!

Ich glaube, die neue Version von Metaguide macht ein "Seeing-Monitoring", aber kein Feedback:

(New SEEING measurement turns your telescope into a seeing monitor)
http://www.astrogeeks.com/Bliss/MetaGuide/


CS
Stephan

 

[tommy_nawratil]

hallo,

von Laurent Bourgon, der auch einige Skripts für PixInsight geschrieben hat, gibt es das Programm MaxPilote:
http://www.felopaul.com/poub/maxpilote_1.htm

Es ist ein Manager, der MaximDL, FokusMax, Pinpoint und PHD via Ascom unter einer Oberfläche zusammenfasst. Unter anderem kann man offset Werte für Filter wegen der Dicke-Differenzen eingeben, auch ein lästiges Problem. Hier das manual:

http://www.felopaul.com/poub/MaxPilote.pdf

Ich habe angefragt, ob es möglich wäre die FWHM Rückmeldung des Guiders am OAG für die Fokuskontrolle zu verwenden.

lg Tommy

 

[GerhardH]

Hallo zusammen ,

Ich mach´s kurz mit meinem Beitrag:

Ich habe ein TEC110FL ( 3-linser, ölgefüllt , CaF2 Zentrallinse ) mit einem Steppermotor am Focuser.
Das Alurohr zieht sich natürlich bei Abkühlung zusammen, aber (nach mehrmaliger, reproduzierbarer Kalibrierung) wird eine Ausdehnung vorgetäuscht. D.h. , dass ich bei Abkühlung den OAZ ausfahren muss. Über MaximDL geht der Focusausgleich automatisch und klappt sehr gut.
Übrigens : Abkühlzeit bei dem Teleskop bei delta 5°C : 1,5 Stunden.

Gruss Gerhard

 

[GerhardH]

sorry , muss heissen : D.h. , dass ich bei Abkühlung den OAZ einfahren muss.

Gruss Gerhard

 

[Jan_Fremerey (verstorben)]

Hallo miteinander,

das ist ein interessantes Thema, dazu ein paar Bemerkungen:

Es dominiert die Änderung der Brechungsindizes der Gläser. Die Temperaturdrift kann je nach Gläsern im Bereich um das vier- bis fünffache der Ausdehnung von Alu erreichen.

Was folgt denn daraus für die Farbkorrektur eines dreilinsigen Apochromaten, die dürfte doch auch nur für eine bestimmte Temperatur stimmen?

Da hat der Refraktor den großen Vorteil. Weil bei ihm hat der Strahlengang nur in der Objektivnähe den vollen Durchmesser und verkleinert sich bis zum Brennpunkt auf Null.
Hingegen bei Newtons und SCs geht zuerst der parallele Strahl durch die ganze Tubuslänge und wird von ihr voll beeinflusst.

Das stimmt, darum sind Spiegelteleskope ohne bzw. mit offenem Tubus in dieser Hinsicht etwas günstiger als solche mit geschlossenem Tubus.

Das ist dann das Gegenteil von dem was man bei Spiegel Optiken machen muss. Hier bleibt die Brennweite konstant und deshalb muss hier ein Material mit möglichst niedrigem Ausdehnungskoeffizienten verwendet werden.

Nach meinem Verständnis sollten die Ausdehnungskoeffizienten des Spiegelmaterials und des Tubusmaterials im Sinne einer bestmöglichen Temperaturkompensation etwa gleich sein. Die Brennweite des Spiegels verändert sich ja allein mit dessen linearer Ausdehnung. Dazu folgendes Zitat:

Also: wenn der Spiegelträger und der Tubus (etwa) denselben thermischen Koeffizienten haben, dann passt's. Auch Pyrex mit ca. 3.3*10^-6 kann sehr gut passen - aber das hängt extrem davon ab, wie das Carbonlaminat verarbeitet ist (stark anisotropes thermisches Ausdehnungsverhalten der Faser).

Dort ging es um die thermische Ausdehnung von Carbontuben. Ich selbst arbeite mit Pyrex-Spiegel und Stahlrohr, da komme ich mit dem Ausdehnungskoeffizienten 11,5e-6/°C von Stahl auf eine Differenz von 8,2e-6/°C, das macht bei 1270 mm Brennweite etwas mehr als 10 µm/°C, die ich - theoretisch - nachfokussieren müsste. Für die Praxis ist das aber unbedeutend, d.h., ich brauche nach der thermischen Akkomodation des Instruments an die Umgebungsluft gar nicht mehr nachzufokussieren.

Gruß, Jan