Ugrás a tartalomhoz

Optika és látórendszerek

Sánta Imre (2012)

EDUTUS Főiskola

3. fejezet - Összetett optikai eszközök

3. fejezet - Összetett optikai eszközök

Távcsövek

A távcső vagy teleszkóp (görög eredetű szó: tele = messze, szkopein = nézni) távoli tárgyak látószögének felnagyítására szolgáló eszköz. A különböző típusú lencsés távcsövek, összefoglaló néven refraktorok, fénytörés (refrakció) révén állítják elő a képet, míg a tükrös távcsövek, a reflektorok reflexióval alkotnak képet.

Refraktorok

A Kepler-féle csillagászati távcső[19]

3.1.1.1. ábra

A Kepler-féle csillagászati távcső (3.1.1.1. ábra) tárgylencséje és szemlencséje is gyűjtőlencse. Az L1 objektív (tárgylencse) a végtelenben fekvő y tárgyról valódi (ernyőn felfogható), fordított állású, kicsinyített y’ képet állít elő az F’ képoldali gyújtópontjában. Ezt az úgynevezett y' köztes képet a lupe (nagyító) szerepét betöltő L2 okuláron keresztül felnagyítva, mint virtuális (látszólagos, ernyőn nem felfogható) y" képet szemléljük – akkomodált szem esetében – a végtelenbe vetítve (teleszkopikus rendszer). (Akkomodál = illeszkedik, alkalmazkodik, itt: a szem egy bizonyos távolságra történő élesítése.) A két lencsét úgy állítják össze, hogy az L1 - L2 lencsék gyújtópontjai kb. egybeessenek. A távcső hossza (l) a két gyújtópont távolságának összege lesz:

A távcső szögnagyítását az alábbi egyenletek határozzák meg:

A D belépő pupilla átmérőjének ismeretében, valamint a d kilépő pupilla dinaméterrel történő megmérésével a távcső nagyítása egyszerűen meghatározható, anélkül, hogy ismernénk az egyes optikai elemek gyújtótávolságát.

Mivel a Kepler-féle távcső fordított képet ad, földi használatra csak képfordítással alkalmas. A képfordítás lencsével vagy prizmák alkalmazásával is megoldható.

A lencsével való képfordítást Kepler (1611-ben) fedezte fel. Az így kialakított földi vagy terresztikus távcső optikai elrendezését az alábbi ábra mutatja:

3.1.1.2. ábra

A prizmás távcsöveknél (Porro, 1850 és Abbe, 1893) a képfordítást két átfogójukkal egymás felé fordított derékszögű prizma végzi. (3.1.1.3. ábra)

3.1.1.3. ábra

A hollandi vagy Galilei-távcső

A Galilei-távcső optikai felépítése[20]

A hollandi vagy Galilei-távcső (3.1.1.4. ábra) egy gyűjtő tárgy- (objektív) és egy szóró szemlencséből (okulár) áll.

3.1.1.4. ábra

Végtelenre állított helyzetben az L1 objektív F’ képoldali gyújtópontja egybeesik az L2 okulár F tárgyoldali gyújtópontjával. Ha az y tárgypontot végtelenben fekvőnek vesszük, az a – a’ fénysugarak által határolt nyalábon belül fekvő összes sugarak egymással párhuzamosnak tekinthetőek. Az y tárgypont fordított kicsinyített valódi képe jelenne meg az L1 tárgylencse (objektív) F’ gyújtópontjában, amennyiben a sugarak útjában nem állna az L2 negatív hatású lencse, amely az F’ képpontba tartó sugarakat egymással párhuzamossá teszi (1 – 4 sugarak). Ezeknek a párhuzamosan széttartó sugaraknak látszólagos kiindulási a pontja az O2 pont, amely egyben az okulártól e távolságban fekvő d átmérőjű virtuális kilépő pupilla helyének felel meg. A kilépő pupilla nem más, mint az okulár által leképzett L1 tárgylencse D átmérőjű belépő nyílásának virtuális képe, amelyen keresztül az y tárgy y’ nagyított képe látható. Az ábrán láthatóan a kilépő pupilla az okulár és az objektív között foglal helyet. Mivel ide a szem pupillája nem helyezhető, a látszólagos látómező nagysága korlátozottabb, mint az egyéb távcsöveké. A látszólagos látómező nagysága függ a szempupillának az L2 okulártól való z távolságtól, a távcső l építési hosszától, az L1 objektív átmérőjétől, a nagyítástól, az e távolságtól stb.

Tükrös távcsövek

A tükrös távcsövek (reflektorok) esetében a fénysugaraknak egy görbült felületű (homorú) tükrön való visszaverődése (reflexiója) révén jön létre a kép. A végtelen távoli tárgyról érkező párhuzamos fénysugarak a tükör felületén történő visszaverődés után annak gyújtópontjában fordított állású, valódi képpé egyesülnek. A jó minőségű optikai üvegből készült főtükör felületét alumíniumból, vagy más fémből álló vékony réteggel vonják be, amelyre gyakran egy kvarc védőréteg is kerül. Ezen távcsőtípus nagy előnye, hogy mentes a lencsés távcsöveknél (refraktoroknál) fellépő ún. színi hibáktól. A nagy átmérő (nagyobb fénygyűjtő felület) és a jó leképzés miatt kiválóan alkalmasak halvány objektumok észlelésére. A tükör által a gyújtópontban előállított képet a megfigyeléshez ki kell vezetni a távcső tubusából, ehhez és a kép előállításához többféle tükörrendszert is kifejlesztettek az idők során[21].

A tükrös távcsövek előnyei:

  • mentesek a színi hibától

  • parabolikus tükörnél a távoli tárgyak a gömbi hibáktól is mentesek

  • könnyebb nagy átmérőjű tükröt készíteni, mint lencsét.

A tükrös távcsövek hátrányai:

  • a főtengelytől távoli tárgyakról alkotott képeknél nagy a kóma és az asztigmatizmus, éles képet csak a főtengelyhez közeli (néhány ívperces) környezetben kapunk.

A Newton-féle távcső (1671)

Az Isaac Newton által készített tükrös távcső is ilyen elven működött. A távcsőtubus belsejében elhelyezett, 45°-os szögben megdöntött síktükör segítségével kivezetik a nagy pontossággal csiszolt homorú parabolatükör (főtükör) által összegyűjtött fénysugarakat a távcső tubus oldalán található okulárba. A beeső fény útjában álló segédtükör – méretétől függően – 5-10%-ot fed le a látómezőből, ami elfogadható veszteség. (3.1.1.5. ábra)

3.1.1.5. ábra

Az amatőr csillagászok a mai napig legszívesebben a Newton-rendszerű távcsövet használják a megfigyeléseikhez.

Newton eredeti távcsöve a 3.1.1.6. ábrán, egy Newton-rendszerű távcső korszerű változata pedig a 3.1.1.7. ábrán látható.[22]

3.1.1.6. ábra

3.1.1.7. ábra

Cassegrain-rendszer

A Cassegrain francia tudós által 1672-ben kifejlesztett rendszerben a főtükörre érkező sugarak visszaverődve egy domború segédtükörre verődnek, majd onnan a főtükör közepén levő nyíláson az okulárra, amely így – a refraktorokhoz hasonlóan – a távcső végén található.

3.1.1.8. ábra

Ez az elrendezés rövidebb tubushosszt tesz lehetővé.[23] Az ún. kvázi Cassegrain-rendszerű távcsőben a segédtükör egy síktükör, az átmérője a főtükör átmérőjének a 60%-a, helye a főtükör fókusztávolságának a fele.

Gregory-féle elrendezés

1663-ban James Gregory építette meg az első tükrökkel működő távcsövet. A távcső két homorú tükörből állt. A fény a tubust a főtükör közepébe fúrt lyukon keresztül hagyta el, ahol belépett az okulárba. A távcső felépítését tekintve egy nagyon jól működő eszköz lett volna, de abban az időben nem tudtak megfelelően pontos görbületű tükröket csiszolni. A Gregory-féle távcsőben a segédtükör ellipszoid alakú, két fókuszpontja van. A főtükör fókuszpontja egybeesik a segédtükör első fókuszpontjával, ezért a segédtükör az itt előállított képet áttükrözi a második fókuszpontjába, amely a főtükör közepén levő nyílásban van. Az okulár egyenes állású, oldalhelyes képet állít elő.

3.1.1.9. ábra

Schmidt-féle távcsövek

Ez a típus kifejezetten fotografikus megfigyelésekre készült, ugyanis látszólag ellentmondásos tulajdonságot egyesít: az igen fényerős műszer nagy látómező mellett ad hibátlan leképezést. Főleg az égbolt nagy területeinek fényképezésére használják. Persze ennek megvan az ára: a fókuszfelület görbült (gömb), és a tubus belsejében helyezkedik el, illetve az – ugyan könnyen elkészíthető – gömb főtükör mellett szükséges korrekciós lemez igen speciális felülettel rendelkezik, amit nehéz elkészíteni. Ez a – főtükör görbületének középpontjába helyezett – optikai elem azonban teljesen eltünteti a szférikus aberrációt. (3.1.1.10. ábra)

3.1.1.10. ábra

A Schmidt-féle korrekciós lemezt sík üveglemezből készítik, azt a peremén alátámasztva egy speciális szerszámon vákuum segítségével meggörbítik, majd egy gömbfelületet csiszolnak. A vákuum megszűnte után az üveglemez felveszi a kívánt alakot. A 3.1.1.11. ábrán a Ball Aerospace-nél egy Schmidt-korrektor optikai ellenőrzése látható.

3.1.1.11. ábra

A világ jelenleg legnagyobb, 10,4 méter tükörátmérőjű optikai távcsöve 2009. júniusa óta a Kanári-szigeteki Nagy Távcső (GRANTECAN). (3.1.1.12. ábra) Maga a tükör 36 darab hatszögletű szegmensből áll, amelyek együttesen az eddig elkészített legnagyobb és a legpontosabban megmunkált felületet formálják. A távcső mozgatása közben a szegmensek megfelelő helyzetben tartásáról kifinomult vezérlőrendszer gondoskodik.

3.1.1.12. ábra