Anpassung von Spektrographenoptik, Teleskop und Beobachtungskamera


Die Spektrographenoptik muß angepasst sein an die Teleskopoptik. Das wichtigste dabei ist gleiches Öffnungsverhältnis für Teleskop und Spektrographenoptik. Ist der Spektrograph schneller als das Teleskop, verschenkt man Auflösung, weil nur eine Teilfläche des Gitters genutzt wird. Ist das Teleskop schneller, geht ein Teil des in den Spektrographen geleiteten Lichts verloren, weil es am Gitter oder dem Kollimator vorbeifällt.

Andererseits ist die Pixelgröße der CCD an die Auflösung des Spektrographen anzupassen. Was nutzt es, wenn der Spektrograph 1 Angström noch auflöst, aber pro Pixel 3 Angström erfasst und diese damit zu einem Pixelwert integriert (undersampling)? Oder umgekehrt 5 Pixel das aufgelöste Element von 1 Angström erfassen, also alle etwa den gleichen Pixelwert messen (oversampling)? Und man sich zusätzliches Rauschen der vielen beteiligten Pixel einfängt? Nach dem Nyquist-Theorem sollte sich das aufgelöste spektrale Element (die feinste Struktur, die im Spektrum abgebildet wird) auf 2 Pixel verteilen. Dann hat man das beste statistische Verhalten der Apparatur zu erwarten.

Nun kann man verschiedene Situationen unterscheiden.

1. Man besitzt ein Teleskop und möchte dazu einen passenden Spektrographen bauen oder kaufen. Dann ist das Öffnungsverhältnis vorgegeben und man kann mit SimSpec durchrechnen, wie die passende Spektrographenoptik aussehen soll. Dabei hat man bestimmte Freiheitsgrade und Restriktionen zu beachten, wie Gewichtsfragen, gewünschte Auflösung etc. Übrigens: Öffnungsverhältnisse lassen sich durch Shapley- und Barlowlinsen ändern (falls man später das Teleskop austauscht und sich dabei das Öffnungsverhältnis des Teleskops ändert)!
2. Man baut, kauft oder besitzt einen Spektrographen und möchte dazu das optimal passende Teleskop anschaffen. Hierbei sind die Gewichts- und Anbringungsprobleme zu lösen. In der Regel wird wohl ein Schmidt-Cassegrin-System (SC) eine gute Wahl sein, weil diese Teleskope über einen großzügigen backfokus-Bereich verfügen und allerhand Gewicht am Okularauszug vertragen.
3. Die CCD-Kamera sollte etwa dem Nyquist-Theorem entsprechen oder leicht "oversampeln". Aufgepasst ! Zu kleine Pixel und der allgemein verbreitete Megapixel-Wahn nützen in der Spektroskopie wenig! CCD's mit 20 um-Pixeln sind meistens wesentlich empfindlicher und rauschärmer wie solche mit 5 um-Pixeln.
   

   Falls sich jemand einen LHIRES III anschaffen möchte, dann empfehle ich dazu das Teleskop, für das der LHIRES entworfen und optimiert wurde: Das C11. Ich hatte mich für das C14 entschlossen. Das war aber ein (verkraftbarer) Fehler. Wegen der fast 4 m Brennweite des C14 sind die Sternscheibchen bei unserem durchschnittlichen Seeing in Deutschland von rund 4" ca. 80 um groß, weshalb ich den Spalt schon auf 40 um einstellen muß, um nicht zu viel des Sternscheibchens abzuschneiden (siehe Foto links). Effektiv verliere ich dabei ca. 1/2 bis 2/3 des Sternlichts auf dem Spalt, so dass die größere Öffnung des C14 im Vergleich zum C11 letztendlich nichts bringt. Mit 40 um Spaltweite verliere ich aber Auflösung im Vergleich zur  Situation am C11, bei dem wegen der geringeren Brennweite und damit kleineren Sternscheibchen eine Spaltweite von 20 bis 30 um ausreichend wäre. Aus diesem Grunde berechne ich zur Zeit gerade eine Shapley-Linse, die ich im LHIRES III vor dem Spalt zur Brennweitenreduzierung einbauen will.

Bei solchen Entscheidungen unbedingt SimSpec befragen und alle möglichen Alternativen durchspielen. In SimSpec werden für die gewählten Ausgangsparameter (Freiheitsgrade) die wichtigen Konsequenzen ausgewiesen: Minimalgrößen für die optischen Elemente und charakteristische Größen wie Auflösung, Dispersion etc.

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