Kaum zu glauben, aber wahr: Spiegelschleifen von Hand kann höchste optische Ansprüche erfüllen. Es werden Oberflächengenauigkeiten von 1/20000mm erreicht. Bis zu 1/50000mm sind mit einfachen Tests, die jeder zu Hause machen kann, nachweisbar! Eine faszinierende Welt. Hier finden Sie einen kleinen Spaziergang in die Welt des Spiegelschleifens. 

Falls Sie Fragen zum Thema Spiegelschleifen haben, können Sie mich gerne unter "Kontakt" erreichen. Ich versuche dann, Ihnen zeitnah zu antworten.

MOT Methode: Mirror on top.

Eine lange Strichführung vertieft die Mitte. Kurze Bewegungen tragen Material am Rand ab.

Ein umgedrehtes Okular macht die Pits vergrößert sichtbar.

Hier wird der Tester mit einer aufgebauten Webcam gezeigt. Für die Messungen reicht aber das Auge völlig aus.

Manche Spiegelschleifer verwenden ein hinter der Klinge montiertes Sucherfernrohr um das Foucaultbild besser beurteilen zu können.

Vorsicht Verbrennungsgefahr!

Pech nur in gut gelüfteten Räumen erhitzen.

Faszination Spiegelschleifen                                                Artikel Interstellarum 84 Nov./Dez. 2012

Ein selbstgeschliffener Newtonspiegel

von Armin Erndt

Spiegelschleifen ist kein Hexenwerk. Dennoch ist es sicher auch nicht jedermanns Sache. Spiegel aus chinesischer Produktion sind heute für kleines Geld zu haben. Die Abbildungsleistung ist meist gut und einem Selbstbauprojekt steht nichts im Weg. Warum also noch selbst schleifen? Für die einen ist es die Lust am Selber- machen, für die anderen die Gier, auch noch das letzte Photon zu erhaschen und einen „high end“ Spiegel zu besitzen. Wieder andere zwingt ein ausgefallenes Projekt dazu, weil es dafür keine Optik zu kaufen gibt. Gründe genug, sich mit diesem Thema zu befassen.

Der Anspruch

Dieser Artikel kann nicht alles zum Thema Spiegelschleifen erläutern. Das Gebiet ist so umfassend, dass man mehrere Bücher mit den verschiedenen Techniken und Hintergrundwissen füllen könnte. Bitte beachten Sie deswegen die Surf- und Buchtipps. In diesem Bericht sollen vor allem die Grundlagen nahegebracht werden, wie man einen Teleskopspiegel herstellen kann. Grundsätzlich ist die Teilnahme an einem Spiegelschleifkurs sehr zu empfehlen.

Ohne Fleiß kein Preis

Man benötigt ein wenig Biss, um einen Teleskopspiegel herstellen zu können. Es werden einige Hilfsmittel benötigt, welche man sich selbst herstellen muss. Am Ende der Herstellung geht es um alles oder nichts. Die Qualität der Optik muss getestet und korrigiert werden, bis ein befriedigendes Resultat vorliegt. Es wird hier auf den Test nach Foucault eingegangen. Für diejenigen, die es probieren möchten, steht ein Bauplan für ein Testgerät zum Download sowie ein Link zur benötigten Auswertesoftware bereit. Es findet sich außerdem ein Hinweis, wo man komplette Schleifsets erwerben kann. Glasrohling, Schleifmedien und Poliermaterial sind dann komplett enthalten, was den Start erheblich vereinfacht.

Spieglein, Spieglein in der Hand

Alle Spiegelschleifmethoden haben eines gemeinsam: Zwei runde, vorher mit einer Fase versehenen Platten, Glasrohling und Tool, werden aufeinander mit leichtem seitlichen Versatz hin und her bewegt und dabei fortwährend in gleichbleibender Richtung gedreht. Da der Mensch nicht in der Lage ist, eine Bewegung zweimal hintereinander gleich auszuführen, entsteht Chaos. Dieses chaotische Schleifen sorgt dafür, dass die Fläche in Summe komplett gleichmäßig geschliffen wird. Würde man die Drehbewegung aussetzen, entstünde an dieser Stelle eine Vertiefung, welche sich später als Astigmatismus äußern würde. Bei der hier beschriebenen Methode (MOT, mirror on top) liegt das Granittool unten und ist mit drei 120° versetzt angebrachten Holzklötzen lose zentriert. Zwischen beiden Flächen befindet sich ein Schleifmedium. Es handelt sich hierbei um Siliziumcarbid in Pulverform, das mit Wasser vermengt ist. Begonnen wird mit Korngrößen um 60 bis 80, vergleichbar mit der Kornangabe bei Schleifpapier. Über mehrere Etappen wird immer feiner geschliffen bis das Glas schon beinahe wieder transparent ist. Anschließend wird der Rohling unter Verwendung von optischem Pech und feinem Polierpulver auspoliert. Danach erfolgt die Korrektur und mit dem Parabolisieren das eigentliche Finish. Aber alles der Reihe nach: Früher wurden zwei gleichgroße Glasplatten verwendet. Heute ersetzt man eine davon durch Granit um die Kosten zu senken. Doch was passiert eigentlich und wodurch entsteht die gewünschte Form? Die scharfkantigen Schleifkörner werden zwischen beiden Flächen hin und her gerollt. Ihre Oberfläche splittert winzige Partikel von beiden Oberflächen ab. Während das unten liegende Tool mehr in der oben liegenden Mitte des Glasrohlings abträgt, schleift das oben liegende Glas eher den Rand des Tools ab. In der Folge wird das Tool konvex, während der Rohling eine konkave Form annimmt. Die Kunst besteht nun darin, den Vorgang so zu steuern, dass eine perfekte Sphäre, ein kreisrunder Ausschnitt einer Kugel, entsteht. Bei der hier beschriebenen Methode zu schleifen passiert das folgendermaßen: Die Schleifbewegung, mit der man linear den Rohling über die Mitte des Tools führt, nennt man Strichführung. Eine lange Strichführung bewirkt einen Abtrag mehr in der Mitte der Oberfläche des Glases, während eine kurze Strichführung eher den Rand absenkt. Um zu kontrollieren, dass eine Sphäre entsteht nutzt man einen einfachen Trick. Mit wasserfestem Filzstift zeichnet man vor einem Schleifgang Linien auf die Glasoberfläche. Diese Linien kreuzen sich in der Mitte der Fläche. Beginnt man nun den Schleifdurchgang, kann man beobachten, wo die Striche zuerst abgeschliffen werden. Verschwinden die Linien auf der gesamten Fläche absolut gleichzeitig ist der Rohling nahezu sphärisch.

Was man im Vorfeld bedenken sollte

Falls man es wirklich versuchen möchte, sollte das Anfangsprojekt nicht zu groß sein. Spiegel zwischen 5 und 8“ sind für Einsteiger sehr gut machbar. Es sollte im Vorfeld klar sein, welche Brennweite der Spiegel später haben soll. Hier gilt, dass längere Brennweiten leichter zu machen sind als kurze. 8“ f/5 oder f/6 ist gut realisierbar, während f/4 eine nicht zu unterschätzende Herausforderung ist. Zum einen müssen kurze Brennweiten tiefer geschliffen werden, zum anderen sind sie beim späteren Parabolisieren und Messen wesentlich kritischer. Doch zum Messen später mehr. Lange Brennweiten z.B. 8“ f/9 sind unproblematisch. Im Prinzip kann hier sogar auf das Parabolisieren verzichtet werden. Die einzelnen Zonenbrennpunkte liegen hier so dicht bei einander, dass eine perfekte Sphäre ausreicht, um eine exzellente Abbildung zu erzeugen. Hat man sich entschlossen, welche Brennweite entstehen soll, gilt es, die sogenannte Pfeiltiefe zu berechnen. Mit Pfeiltiefe meint man den tiefsten Punkt in der Krümmung, gemessen vom Rand des Glasrohlings. Siehe Surftipp! Die Pfeiltiefe lässt sich am einfachsten mit einem Lineal und einer darunter geschobenen Fühlerblattlehre messen.

Die Einzelschritte im Wesentlichen

Hat man sein Einsteigerset erst mal erhalten, geht die Arbeit richtig los. Zunächst überprüft man den Rohling auf eventuelle Schäden oder kleine Lufteinschlüsse. Die bessere Seite wird später die Spiegeloberfläche. Im Baumarkt kauft man nun eine Granitplatte mit glatter Oberfläche. Um diese zu bearbeiten wird ein kleiner Winkelschleifer und eine geschlossene Diamantscheibe benötigt, mit der normalerweise Fliesen geschnitten werden. Aus dieser Granitplatte wird nun eine möglichst kreisrunde Platte mit dem Durchmesser des Glasrohlings ausgeschnitten. Begonnen wird mit einem Viereck, dem man dann die Ecken abschneidet. Dem so entstandenen Achteck werden erneut die Ecken abgetrennt. Führt man diese Arbeit kontinuierlich fort, erhält man bereits einen nahezu perfekten Kreis. Dieser muss nur noch ringsum geglättet werden. Im nächsten Arbeitsgang muss am Rand der Granitplatte eine Fase von ca. 4mm Breite in einem Winkel von 45° geschliffen werden. Mit etwas Geschick gelingt auch dieses mit dem Schleifer. Nun werden noch Rillen gitterförmig in den Stein geschnitten. Sie verhindern, dass sich das Glas später am Stein festsaugt. Als nächstes muss auch der Glasrohling beidseitig mit einer Fase versehen werden. Die eine schützt den Glasrohling vor Ausbrüchen, die andere die Hände vor Verletzung. Hierzu verwendet man am besten eine Diamantfeile. Es wird ausschließlich von oben zum Rand hin gefeilt, um Ausbrüche in Richtung der Spiegelfläche zu vermeiden! Anschließend muss das Tool wie eingangs beschrieben auf einem stabilen Tisch fixiert werden. Man beginnt mit dem Schleifprozess, indem man einen kleinen Teelöffel Schleifkorn der gröbsten Körnung auf dem Tool verteilt. Mit einer Sprühflasche wird anschließend das Schleifpulver und das Tool mit Wasser benetzt. Nachdem das Glas vorsichtig auf das Tool gelegt wurde, beginnt man mit einer Strichführung, bei der das Glas jeweils ein Viertel überhängt. Man kann deutlich hören, wie das Schleifkorn arbeitet. Nach ca. 10 Strichen dreht man nun den Rohling und das Tool ein Stück weiter. Langsam wird das Schleifgeräusch immer sanfter bis es sich nicht mehr ändert. Das Schleifmedium ist verbraucht und muss erneuert werden. Der Spiegel wird vorsichtig seitlich abgezogen. Mit einem sauberen feuchten Lappen wird die Tooloberfläche abgewischt. Nun beginnt der gleiche Prozess von vorne. Nach rund einer Stunde werden erste Erfolge sichtbar. Der Spiegel wird langsam konkav. Ab hier wird begonnen die Filzstiftmethode anzuwenden. Wer immer ein Auge darauf hat, dass flächig gleichmäßig abgetragen wird, hat die halbe Miete. Nun wird dieser Prozess fortgeführt bis die errechnete Pfeiltiefe genau erreicht ist. Je genauer, desto besser. Ist dies geschafft, muss alles gründlich gereinigt werden. Es darf kein einziges Schleifkorn zurückbleiben. Auch der Wischlappen muss entsorgt werden. Achtung! Auch am Filzstift können einzelne Schleifkörner haften. Ein einziges übriges Korn würde in der Oberfläche bei der nächstfeineren Körnung einen Kratzer hinterlassen. Jetzt wird genauso mit der nächsten Korngröße gearbeitet. Reinheit beim Wechsel der Korngröße ist oberstes Gebot. Es darf nie vergessen werden, Tool und Rohling zu drehen und die Fläche muss immer wieder kontrolliert werden. Wer jetzt Geduld und Ausdauer hat, wird schneller zum Erfolg kommen als für möglich gehalten. Die Pfeiltiefe eines 8“f/5 ist bereits nach rund vier Stunden erreicht.

Pit-stopp

Nach jedem Kornwechsel wird die Glasoberfläche feiner. Es muss dafür gesorgt werden, dass alle Spuren der vorangegangenen Körnung restlos ausgeschliffen wurden. Man verwendet zur Kontrolle ein Okular, welches umgedreht dicht über die Glasoberfläche gehalten wird. Von unten wird das Glas nun mit einer Taschenlampe angestrahlt. Durch das Okular betrachtet, wird die Oberfläche vergrößert sichtbar. Einzelne helle Punkte, die größer erscheinen, sind sogenannte Pits. Sie stammen von der vorhergehenden Korngröße. Es muss jeweils so lange geschliffen werden, bis diese Pits und eventuelle Kratzer verschwunden sind. Es ist hilfreich, einzelne Stellen mit Filzstift zu markieren. So wird die Überwachung einzelner Pits einfacher. Nachdem alle Körnungen bis 3µ völlig ausgeschliffen sind und keine Pits mehr aufzufinden sind, hat man bereits einen erheblichen Teil geschafft.

Die Basis des Erfolgs

Der nun hergestellte sphärische Rohling ist die Basis. Für einen Newtonspiegel braucht es aber eine andere Form. Die Parabel! Weil Sternenlicht aus dem Unendlichen zu uns strahlt, fallen die Lichtstrahlen parallel auf die Oberfläche des Spiegels. Dieses würde bei einer Sphäre bedeuten, dass sich die Lichtstrahlen nicht exakt in einem Brennpunt vereinigen. Die Strahlen, die weiter vom Rand reflektiert werden, würden sich weiter vor dem eigentlichen Brennpunkt schneiden als die aus der Spiegelmitte. Man spricht bei diesem Fehler von der sphärischen Aberration. Nun gilt es also, den Spiegel so zu bearbeiten, dass er eine parabolische Form annimmt und alle einfallenden Lichtstrahlen exakt in einem Brennpunkt vereinigt. Es ist erforderlich einen Foucault- Tester zu bauen, um die Spiegeloberfläche beurteilen zu können. Eine Bauanleitung findet sich auf der Homepage des Autors.

Vertrauen ist gut, Kontrolle ist besser

Dank Leon Foucault ist es seit 1859 erst möglich die optische Genauigkeit von Teleskopspiegeln zu testen. Um das Prinzip des Tests verstehen zu können, müssen wir uns noch einmal ins Gedächtnis rufen, dass Lichtstrahlen aus dem Unendlichen parallel auf den Spiegel treffen. Ein sphärischer Spiegel kann diese Strahlen, wie bereits oben beschrieben, nicht exakt in einem Punkt bündeln. Das Licht einer künstlichen Lichtquelle hingegen, wie es beim Foucault-Test verwendet wird, trifft radial auf die sphärische Oberfläche. Dieses Licht kann der sphärische Spiegel exakt bündeln. Der Foucault-Test funktioniert wie folgt: Als Lichtquelle verwendet man heute eine mattgeschliffene weiße Leuchtdiode, die vor dem Spiegel mit leichtem Versatz zum Krümmungsmittelpunkt platziert wird. Das von ihr ausgestrahlte Licht wird reflektiert und mit gegenseitig leichtem Versatz zurück in den Krümmungsmittelpunkt reflektiert. Würde man hier genau das Auge positionieren, sähe man den Spiegel voll erleuchtet wie einen Vollmond. Beim Testgerät wird die LED direkt hinter einer Rasierklinge angebracht, welche sie halb verdeckt. Platziert man das Testarrangement richtig im Krümmungsmittelpunkt, so wird das nun halbmondförmige Licht vom Spiegel reflektiert. Da es spiegelverkehrt zurückkommt, trifft es die Rasierklinge ein Stück weiter oben und ist auf ihrer Oberfläche als Halbmond gut sichtbar. Positioniert man das Auge dicht hinter dieser Reflektion und verschiebt den kompletten Aufbau vorsichtig in den Strahlengang, so ist der Spiegel als Vollmond sichtbar und wird dann schlagartig dunkel. Bewegt man die Klinge ganz vorsichtig und langsam wieder zurück, lässt sich ein Punkt finden, an dem der Spiegel aschgrau erscheint. Die Oberfläche des Spiegels ist zwar komplett sichtbar, aber nicht voll erleuchtet. Abweichungen auf der Oberfläche können als Licht und Schatten erkannt werden. Dieses wiederum kommt daher, weil eine Fehlstelle, gehen wir beispielsweise von einer Erhöhung in der Spiegelmitte aus, die Lichtstrahlen aus diesem Bereich zu einem Teil mehr in das Auge, und zum anderen Teil mehr auf die Klinge lenkt. Hat man verstanden, aus welcher Richtung die Lichtquelle und von wo die Klinge kommt, gelingt es mit etwas Übung abzuleiten, ob es sich um eine Erhöhung oder eine Vertiefung handelt. Der Test ist unter guten Bedingungen so genau, dass selbst Abweichungen von 1/50000mm zu sehen sind. Dieser Test wird genutzt um zu überprüfen, ob der später auspolierte Spiegel genau sphärisch ist.

Mit Pech zum Glück

Optisches Pech ist das Material, welches als Trägermedium zum Polieren der Glasfläche mit Poliermittel verwendet wird. Bei einem Set liegt optisches Pech in mehr als der erforderlichen Menge bei. Die Masse ist mit nichts vergleichbar. Im kalten Zustand hart und spröde, bei Erwärmung zäh und stark haftend. Beim Erhitzen dünn wie Wasser und, egal in welchem Zustand, immer in Bewegung. Das sind die besonderen Merkmale von optischem Pech. Um ein Polierwerkzeug herzustellen, wird zunächst der Spiegel mit seiner konvexen Seite nach oben auf einen Tisch gelegt. Nun bringt man mit dem Finger eine dünne Schicht Speiseöl auf und verteilt dieses. Weiterhin wird ein Stück Backpapier benötigt, welches auf die Größe des Spiegels zugeschnitten wird. Es wird ein Ring aus rund fünf Zentimeter hohem Pappdeckel um den Glasrohling gelegt und dieser Ring verklebt. Drei ca. 4x4x4mm große Holzstücke werden 120° versetzt innen am Ring platziert, nachdem das Backpapier auf die Glasoberfläche gelegt wurde. Das Pech wird in einem alten Gefäß vorsichtig erhitzt und gelegentlich umgerührt. Eine Arbeit, welche man aufgrund der Dämpfe am besten im Freien erledigt. Ist das Pech dünn wie Grießbrei, füllt man so viel davon in die Form bis die Holzstücke bedeckt sind. Anschließend drückt man das Granittool, welches beim Schleifen verwendet wurde, mit der konvexen Seite nach unten in die Form bis diese auf den Holzklötzen zum Liegen kommt. Achtung! Überquellendes Pech führt zu Verbrennungen. Das Pech muss jetzt etwas abkühlen. Anschließend kann der Ring entfernt werden. Es bedarf dann etwas Kraftaufwand um das Tool vom Rohling zu schieben. Ist alles geglückt, hat man ein perfektes Abbild der Spiegeloberfläche. Mit einem Teppichmesser werden zum Abschluss noch Rillen längs und quer in die Pechhaut geritzt. Das Tool muss fortan durch Backpapier getrennt oben auf dem Spiegel liegend ruhen, damit es seine Form behält. Das Poliermittel, welches zum Polieren mit Wasser vermengt wird, lagert sich beim Polieren im Pech ein. Der Vorgang selbst darf nicht mehr als Schleifen bezeichnet werden. Vielmehr werden Moleküle verschoben und die Fläche auf Hochglanz poliert. Die Bewegungen bei der Politur sind die gleichen wie vorher bei den Schleifdurchgängen. Wird die Fläche langsam durchsichtig, kann man bereits beginnen, die Sphäre mit dem Foucault-Tester zu prüfen. Wie auch beim Schleifen steuert man eventuell erhabenen Zonen mit entsprechender Strichführung entgegen. Das Ziel ist eine ideale Sphäre, im Tester durch flächig schlagartiges Umschlagen von Hell nach Dunkel zu erkennen. Ist der Spiegel völlig auspoliert, so dass keine Pits mehr erkennbar sind, hat man den zweiten wesentlichen Teil geschafft.

Mit Couder zur Parabel

Um das Projekt zu vollenden, muss noch parabolisiert werden. Das heißt, die nun sphärische und auspolierte Oberfläche durch gezieltes Polieren so zu verändern, dass alle aus dem Unendlichen einfallenden Lichtstrahlen in einem Punkt vereinigt werden. Das Problem ist, dass man ohne Hilfsmittel nicht weiß, wo poliert werden muss, um die perfekte Parabelform zu erreichen. Um die erforderlichen Messungen durchführen zu können, wird eine nach A. Couder benannte Couder-Maske angefertigt. Hierzu gibt es ein einfaches Programm das eine druckfertige Vorlage liefert. Der Spiegel wird zur Messung in einzelne konzentrische Zonen unterteilt. Auch die nötige Anzahl dieser Zonen schlägt das Programm vor. Die Maske deckt die Spiegelfläche bis auf einzelne Ausschnitte, links und rechts der Spiegelmitte, ab. Die Zonen werden von innen nach außen aufsteigend nummeriert. Die Spiegelmitte ist dabei die Zone null. Nun kommt erneut die Schattenprobe nach Foucault zum Einsatz. Die Parabel, die benötigt wird, weicht nur minimal von der Sphäre ab. Im Grunde werden nur die Mitte der Spiegeloberfläche und der Rand des Spiegels ein wenig abgesenkt. Zunächst muss etwa zehn Minuten mit langer Strichführung poliert werden, um überhaupt eine messbare Vertiefung in der Fläche zu haben. Nun wird der Glasrohling erneut zum Test aufgebaut. Jetzt sucht man sich mit der Messerschneide die Stelle, an der die Spiegelmitte abgedunkelt wird. Dieses ist der Referenzpunkt. Von ihm aus werden die Schnittweitendifferenzen der einzelnen Zonen gemessen. Maßgeblich für den Test sind also die Differenzen der einzelnen Zonen und nicht deren absoluter Abstand zur Spiegeloberfläche. Hat man die Zone null genau gefunden, wird die Maske vor den Spiegel gelegt. Bewegt man die Messerschneide vor- oder rückwärts, kann man beobachten, wie die einzelnen Zonen hell oder dunkel werden. Das reflektierte Licht aus dieser Zone wird dann mehr zur Klinge oder mehr zum Auge reflektiert. Mit etwas Übung lässt sich der Punkt finden, an dem beide gegenüberliegenden Ausschnitte einer Zone gleichmäßig aufgehellt oder abgedunkelt werden. Der Weg, der zwischen dieser Zone und der gemessenen Zone null liegt, wird mit einer Messuhr gemessen und notiert. Anschließend vermisst man die nächste Zone und nach ihr alle anderen. Die einzelnen Messwerte werden dem Programm zur Auswertung gefüttert. Das Programm errechnet die Abweichung von der idealen Parabel und stellt die vorliegende Parabel grafisch dar. Die Oberfläche wird durch gezielte Strichführung mit der Pechhaut parabolisiert, bis die Zonenmessung befriedigende Ergebnisse liefert. Hat man alle Hürden genommen und das Programm bestätigt eine Parabel nahe am Ideal, ist es geschafft. Hier liegt es an der Geduld und der Ausdauer der polierenden Person: Je näher man dem Ideal kommt, desto mehr Licht eines Sterns wird später exakt im Zentrum der Abbildung des Sterns gebündelt sein. Der so entstandene Spiegel ist nun fertig und kann verspiegelt werden. Das First-Light mit einem selbstgeschliffenem Spiegel ist auf jeden Fall ein besonderer Hochgenuss, der den Schleifer für alle Strapazen entschädigt.

Surftipps

Material und Rohlinge

www.stathis-firstlight.de

Berechnungsformeln und Grundlagen

www.strnad-emskirchen.de

Internetseite des Autors

www.astronomie-selbstbau.de

Programme

Couder Mask

Figure XP

Ich möchte euch folgendes Video ans Herz legen. Auch wenn man in vielen Punkten heute anders vorgehen würde, zeigt es sehr schön, wie einfach es sein kann, einen Teleskopspiegel und ein Teleskop herzustellen.

Der Film dauert ca. 1h 30min. Also, Chips nicht vergessen!