8 Zoll f/6 Parabolspiegel
- Polierwerkzeug und Foucault-Tester -



Letztes Update: 30.06.04

Fr 21.05.04: Herstellung des Polierwerkzeugs

Als nächstes steht die Politur an. Dafür benötigt man eine Poliermaske, die aus dem Tool durch Überzug mit einer Pechhaut hergestellt wird. Dem Pech kommt dabei eine Schlüsselrolle zu. Wichtig ist seine Eigenschaft unter Druck langsam zu fließen, bei kurzzeitigen Belastungen aber wie ein fester Körper zu wirken. Die Viskosität hängt sehr stark von der Temperatur ab.

Die feinen Körner des Poliermittels sinken teilweise in die Pechoberfläche ein und werden dadurch fixiert. Anders als beim Schleifen rollen die Körner nicht zwischen Werkzeug und Spiegel, sondern schneiden wie Millionen mikroskopischer Messer. In Kombination mit der chemischen Wirkung des Poliermittels werden die noch verbleibenden feinsten Unebenheiten der Spiegeloberfläche ausgeglichen.

Um bei der Politur ein perfekt an den Spiegel angepasstes Werkzeug zu haben wird das mit Pech überzogene Tool zunächst durch längeren Druck an die Spiegeloberfläche angepasst, eventuell nach vorheriger Erwärmung.

Es ist wichtig dass die Pechhaut nicht homogen ist, sondern mit Rillen durchzogen die ein seitliches Fließen des Pechs unter Druck ermöglichen. Für die Herstellung der facettierten Pechhaut gibt es zahlreiche Methoden. Nach vergeblichen Versuchen hatte ich mit folgendem Verfahren Erfolg:

Eine Konservendose wird zum Pechtopf umfunktioniert, mit Holzgriff und einem Ausguss. Darin wird das Pech erhitzt bis es die Konsistenz von Honig hat. Das flüssige Pech wird auf den Spiegel gegossen, dieser ist mit einer Alu-Folie belegt. Darauf wird als Trennmittel dick angerührtes Poliermittel aufgepinselt. Ein umlaufendes Klebeband dient als Randbegrenzung.

Das erwärmte Tool wird kopfüber in das flüssige Pech gedrückt, bis das Pech allseitig den Rand erreicht.

Hier ist das Tool bereits aufgelegt. Das ausgetretene Pech am Rand kann nach Erkalten leicht abgebrochen werden.
 

Das Tool mit aufgegossenem Pech. Der weiße Belag ist das Poliermittel.

Ein erster Blick auf das Tool ist recht ernüchternd. Ein unregelmäßiger teerartiger Überzug, am Rand sehr leicht bröckelnd, mit vielen kleinen Luftblasen, noch nicht einmal gleichmäßig dick. Und damit soll man eine Fläche auf wenige 10nm genau bearbeiten können?

Eine Fase am Rand kann man leicht mit einer erhitzten Stahlschiene anbringen. Problematischer ist es in die Oberfläche Kanäle einzuarbeiten, die später die gleichmäßige Verteilung des Poliermittels unterstützen und es dem Pech zur exakten Anpassung an den Spiegel ermöglichen seitlich zu fließen.

Die Methode mit Hilfe eines Lötkolbens oder eines anderen erhitzten Werkzeugs die Rillen in die Oberfläche zu schmelzen kann ich nicht empfehlen. Das ist eine sehr unsaubere Angelegenheit, geht recht langsam und lieferte bei meinen Versuchen kein schönes Ergebnis. Es kam auch immer wieder zum Zufließen der Kanäle hinter dem Werkzeug.

Auch das Sägen der Rillen, evtl. unter Wasser, konnte mich nicht überzeugen. Ich kann folgende Vorgehensweise empfehlen:

Das Tool wird in ein Wasserbad von ca. 45° gelegt. Dabei wird das Pech weich, etwa so wie frischer Fensterkitt. Mit einer Metallschiene, in meinem Fall 4x20mm, kann man nun die Rillen durch konstanten Druck von einigen Sekunden Dauer eindrücken. Wichtig ist dass die Schiene immer wieder in kaltem Seifenwasser gekühlt wird, sonst klebt sie am Pech fest. Auf diese Weise habe ich über Kreuz Rillen im Abstand von ca. 25mm eingearbeitet.

Durch das Eindrücken werden die umgebenden Bereiche des Pechs nach oben gedrückt, deshalb muss man das Tool nochmals an den Spiegel anpassen. Das geschieht dadurch dass man den Spiegel, mit Poliermittel versehen, auf das noch warme Tool legt (=Warmpressen). Leider verringern sich dadurch auch wieder die Rillen, so dass man den gesamten Vorgang wiederholen muss. Bei mir waren zwei Durchgänge ausreichend.
 

Die facettierte Pechhaut nach zwei Mal Rillenpressen und Anpassen an den Spiegel.
 

Sa 22.05.04: Beginn Politur

Pech fließst auch im kalten Zustand, deshalb muss vor jeder Poliersession das Tool nochmals an den Spiegel angepasst werden. Beim Kaltpressen wird der Spiegel aufgelegt und mit einem Gewicht beschwert. Nach 15-30 Minuten bei Zimmertemperatur ist die Anpassung abgeschlossen.

Das Polieren erfolgt mit recht dünnflüssigem Poliermittel, ich verwende dazu Ceroxid HPC. Mit einem Pinsel wird das Poliermittel ganzflächig auf das unten liegende Teil (Spiegel oder Tool) aufgetragen. Die Politur erfolgt mit nicht zu schnellen w-förmigen Strichen der Länge 1/3. Auch hier ist eine ständige Variation wichtig, ebenso wie das Drehen von Tool und Spiegel.

Der größte Unterschied zum Schleifen besteht in der viel größeren Kraft, die zum Polieren erforderlich ist. Die Pechhaut muss regelrecht über das Glas geschoben werden und leistet kräftig Widerstand. Solange diese Bewegung aber nicht ruppig verläuft ist das ein gutes Zeichen. Durch die Rückseite des Spiegels sieht man wie das Poliermittel durch die Kanäle strömt und sich ständig neu verteilt. Wichtig ist dass alle Facetten Kontakt mit dem Spiegel haben, was am gleichmäßigen Aussehen der Pechoberfläche zu erkennen ist.

Die Pechhaut lief zunächst etwas unwillig. Ein erneutes Pressen mit angewärmtem Spiegel, wobei ein feinmaschiges Gewebe zwischen Tool und Spiegel lag, erzeugte eine zusätzlichen Mikrostruktur. Das verbesserte das Laufverhalten.
 

Die Pechhaut in der Anfangsphase des Polierens, durch die Spiegelrückseite betrachtet.

Bereits nach 30 Minuten polieren hat sich die Spiegeloberfläche stark verändert, sie glänzt bereits wie eine Fensterscheibe. Der Polierzustand kann durch den Reflex eines Laserpointers abgeschätzt werden. Je unsichtbarer der Strahl ins Glas eindringt um so glatter ist die Oberfläche. Ein erster Test zeigte nach 160 Minuten Politur am Rand noch etwas stärkere Reflexe als in der Spiegelmitte.
 

So 23.05.04 & Sa 29.05.04: Bau des Foucault-Testers

Der jetzt reflektierende Spiegel kann mit optischen Methoden getestet werden, um die Abweichungen der Oberfläche von der zunächst angestrebten sphärischen Form festzustellen. Eine genial einfache und trotzdem extrem empfindliche Methode wurde 1859 von Leon Foucault angegeben. Der Test beruht auf der Eigenschaft eines idealen sphärischen Spiegels, eine kleine Lichtquelle die sich in seinem Krümmungsmittelpunkt befindet, wieder in diesen Punkt abzubilden. Eventuelle Fehlerstellen der Oberfläche bilden in einen anderen Punkt ab.

Durch Einbringen einer scharfen Kante, ursprünglich wurde eine Messerschneide verwendet, in das vom Spiegel erzeugte Abbild der Punktlichtquelle können die fehlerhaften Stellen der Spiegeloberfläche sichtbar gemacht werden. Sie erscheinen als Relief, so als würde man die Oberfläche von der Seite her beleuchten und dabei die Abweichungen extrem stark vergrößern. Es können Formabweichungen in der Größenordnung von 10nm sichtbar gemacht werden, also weitaus weniger als die optische Wellenlänge von etwa 500nm. Gemessen wird die Messerschneiden-Position, bei der eine bestimmte ringförmige Zone des Spiegels gleichmäßig hell erscheint, die sogenannte Schnittweite. Dadurch ergibt sich der Neigungswinkel dieser Zone, und über eine numerische Auswertung das Höhenprofil des Spiegels.

Der Foucault-Tester besteht im Prinzip aus einer Einheit mit Beleuchtung und Messerschneide, die in 2 Achsen fein einstellbar beweglich ist. Die Verschiebung in Richtung der optischen Achse muss dabei exakt messbar sein. Der Beobachter befindet sich hinter der Messerschneide, und bewertet das Bild bei verschiedenen Positionen der Schneide.

In meinem Aufbau verwende ich statt der direkten Beobachtung eine Kamera. Hierbei handelt es sich um eine Webcam mit modifiziertem Gehäuse, die mit einem 28mm KB-Objektiv ausgestattet ist. 

Die Beleuchtung erfolgt mit einer superhellen weißen LED (3000mcd). Zur Bestimmung der Schneidenposition ist eine Messuhr eingebaut.
 

Die Fotos zeigen den noch nicht ganz fertigen Tester. Die Kamera fehlt noch. In das Diarähmchen wird die Messerschneide eingebaut. Im unteren Bereich des Rähmchens befindet sich die LED, abgeschirmt durch einen Blechbügel. Der Schlitten gleitet auf einem Rundstab, und kippt um die Achse des Stabs. Dadurch entstehen die x- und y-Bewegungen der Messerschneide.
 


 

Die Meßstrecke zwischen Spiegel und Foucault-Tester beträgt das Doppelte der Spiegelbrennweite, bei meinem Spiegel also ca. 2500mm. Über diesen recht langen Weg stört bei der hohen Empfindlichkeit des Foucault-Tests bereits die Luftströmung innerhalb des Lichtweges, da Luftmassen unterschiedlicher Temperatur eine geringfügig andere optische Dichte haben und deshalb eine Phasenverschiebung innerhalb der Wellenfront verursachen. Deshalb habe ich einen Folientunnel als Abschirmung gebaut, der zu einer drastischen Verbesserung der Bildruhe geführt hat.
 

Im weißen Kunststoffgehäuse befindet sich die Elektronik der Webcam, frontseitig ist über ein K-Bajonett ein 28mm KB-Objektiv montiert. Dadurch erscheint der f6-Spiegel nahezu formatfüllend im Bildfeld der Webcam.

Die Spiegelhalterung ist über 3 Schrauben justierbar, so dass die optische Achse des Spiegels genau auf die Messerschneide ausgerichtet werden kann.
 


 
 

Erste Messung mit dem Foucault-Tester

Hier ein Bild des Spiegels nach einigen Stunden Polieren, wobei er aber noch nicht auspoliert ist. Man erkennt im linken Bild, bei dem die Messerschneide so positioniert wurde dass der mittlere Bereich "flach" erscheint, eine abfallende Flanke der äußeren Zone. Im rechten Bild wurde auf die Randzone eingestellt, die Mitte zeigt sich als "Berg". Je nach Position der Messerschneide ergeben sich unterschiedliche Ansichten des Spiegels, die aber die gleiche Information über die Oberfläche liefern.


 

Zur Veranschaulichung der Empfindlichkeit des Foucault-Tests und der Beeinflussung durch unterschiedlich warme Luftmassen hier ein Foto des beliebten "brennende Hand"-Tests:


 

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