Allgemeines
Die Erforschung des Weltalls wurde erst mit der Erfindung des Fernrohres oder Teleskopes möglich. Die Leistung eines Teleskopes wird durch den Linsen Ø oder den Spiegel Ø bestimmt. Bei einer Verdoppelung des Linsen oder Spiegeldurchmessers steigt die Auflösung eines Teleskopes ebenfalls um das doppelte an, die Lichtsammelwirkung sogar um das Vierfache. Die Vergrösserung eines Teleskopes hingegen sagt nichts über die Leistung aus. Mit entsprechenden kurzbrennweitigen Okularen kann fast jede beliebige Vergrösserung erzielt werden. Das Bild jedoch, wird dadurch immer Dunkler und Kontrastloser je mehr man vergrössert.
The exploration of space only became possible with the invention of the telescope. The power of a telescope is determined by the lenses Ø or the mirror Ø. With a doubling of the lens or mirror diameter, the resolution of a telescope also increases by twice, the light-collecting effect even by four times. The magnification of a telescope, on the other hand, says nothing about the performance. With corresponding short focal length eyepieces, almost any enlargement can be achieved. However, the image becomes darker and darker and less contrast the more you enlarge.
Linsenteleskope (Refraktoren)
Linsenteleskope (Refraktoren), bestehen aus verschiedenen Linsen, die durch entsprechende Kombination eine lichtsammelnde Wirkung erzeugen. Diese Linsen erzeugen in der Brennebene ein seitenverkehrtes und auf dem Kopf stehendes Bild das im Okular betrachtet werden kann. Wir unterscheiden zwischen Sammellinsen und Zerstreuungslinsen.
Lens telescopes (Refractors) consist of different lenses, which produce a light-collecting effect by appropriate combination. These lenses produce a side-side and upside-down image in the focal plane that can be viewed in the eyepiece. We distinguish between collecting lenses and scattering lenses.
Bei Sammellinsen wird Parallel einfallendes Licht wird in ihrer Brennebene gesammelt. Speziell wird parallel zur optischen Achse eingestrahltes Licht im Brennpunkt fokussiert.
Die Streuungslinse fokussiert parallel einfallendes Licht nicht, sondern zerstreut es, wenn es durch die Linse gebrochen wird. Man nennt Streuungslinsen auch Negativlinsen, weil der Brennpunkt der Lichtstrahlen vor der Linse liegt.
Lichtstrahlen werden von einer Linse beim Eintritt in den Linsenkörper abgelenkt (abhängig vom Radius R1) und beim Austritt ein zweites mal (abhängig vom Radius R2). Die abgelenkten Strahlen schneiden sich im Fokuspunkt.
Light rays are deflected by a lens when entering the lens body (depending on radius R1) and at exit a second time (depending on radius R2). The deflected rays intersect in the focal point.
Wesentlich für die Berechnung von Linsen sind die Krümmungsradien R1 und R2, die Dicke der Linse d und der Brechungsindex n des verwendeten Materials. Daraus ergibt sich die Brennweite f und demzufolge der Fokuspunkt.
Für ein einfaches Linsenteleskop genügen im Prinzip zwei Linsen. Die Sammellinse in der das eintreffende Licht gebrochen in den Fokuspunkt weitergeleitet wird und das Okular indem der Betrachter das Bild sichtbar machen kann. Die ersten Teleskope waren Linsenfernrohre die um 1608 von einem holländische Optiker (Hans Lipperhey) entwickelt wurden. Die Technik wurde von Galileo Galilei weiterentwickelt. Er kombinierte eine Sammellinse und eine Zerstreuungslinse (Okular) derart, das eine Seitenrichtiges und Aufrechtstehendes Bild entstand.
In principle, two lenses are sufficient for a simple lens telescope. The collection lens in which the incoming light is broken is passed into the focus point and the eyepiece by the viewer can make the image visible. The first telescopes were lens telescopes developed around 1608 by a Dutch optician (Hans Lipperhey). The technology was further developed by Galileo Galilei. He combined a collecting lens and a scattering lens (eyepiece) in such a way that a side-correct and upright image was created.
Prinzipdarstellung eines Linsenteleskopes. Das Okular kann entlang der optischen Achse so verstellt werden, dass sich die Brennpunkte von Linse und Okular vereinen.
Jedoch haben einfache Linsenteleskope einen gravierenden Fehler. Beim eintreten des Lichtes in eine Sammellinse wirkt diese wie ein Prisma. Das weisse Licht wird in seine Bestandteile Rot, Grün und Blau zerlegt. Da die unterschiedlichen Farben durch unterschiedliche Wellenlängen entstehen, treffen die einzelnen Farben nicht in einem gemeinsamen Fokuspunkt zusammen. Dieses Phänomen wird als “Chromatische Aberration” bezeichnet. Bilder mit chromatischer Aberration weisen Farbfehler auf und sind aufgrund der unterschiedlichen Fokuspunkte nicht scharf.
However, simple lens telescopes have a serious flaw. When the light enters a collection lens, it acts like a prism. The white light is broken down into its components red, green and blue. Because the different colors are created by different wavelengths, the individual colors do not meet in a common focus point. This phenomenon is called "chromatic aberration". Images with chromatic aberration have color errors and are not sharp due to the different focus points.
Der Chromat
Beim eintreten des Lichtes in eine Sammellinse wirkt diese wie ein Prisma. Das weisse Licht wird in seine Bestandteile Rot, Grün und Blau zerlegt. Da die unterschiedlichen Farben durch unterschiedliche Wellenlängen entstehen, treffen die einzelnen Farben nicht in einem gemeinsamen Fokuspunkt zusammen. Dieses Phänomen wird als “Chromatische Aberration” bezeichnet.
Linsenteleskope mit nur einer Linse werden als “Chromaten” bezeichnet. Um den gravierenden Nachteil der Chromatischen Aberration zu eliminieren, entwickelte der Engländer Chester Moore Hall um 1733 sogenannte “Achromaten”. Diese Linsenteleskope besitzen zwei Sammellinsen, die einen unterschiedlichen Brechungsindex besitzen. Das Flintglas mit einem hohen Anteil an Bleioxid besitzt einen Abbe-Wert von < 50, beim Kronglas ist er > 50. Dies bewirkt das Blaues Licht in den Fokuspunkt des Roten Lichts verschoben wird, der Abbildungsfehler wird reduziert. Die Konstruktion solcher achromatischer Linsensysteme beruht darauf, dass das Verhältnis von Brechungsindex und Dispersion für verschiedene Glassorten unterschiedlich ist.
Lens telescopes with only one lens are called "chromates". In order to eliminate the serious disadvantage of chromatic aberration, the Englishman Chester Moore Hall developed so-called "achromats" around 1733. These lens telescopes have two collection lenses that have a different refractive index. The Flint glass with a high content of lead oxide has an abbe value of < 50, with the crown glass it is > 50. This causes the blue light to be moved to the focus point of the red light, the imaging error is reduced. The design of such achromatic lens systems is based on the fact that the ratio of refractive index and dispersion is different for different types of glass.
Der Achromat
Beim Austritt des Lichts aus der Bikonvexen Linse wird das Blaulicht von der Plankonkaven Linse unter einem andren Winkel abgelenkt. Der Fokuspunkt von Rot und Blaulicht fallen zusammen, dies führt zu einer Minimierung des Abbildungsfehlers.
Um den Abbildungsfehler nochmals zu Minimieren musste das Linsenteleskop erneut verbessert werden. Dies gelang dem Briten Peter Dollond 1765 durch den Einbau einer dritten Linse. Bei den sogenannten Apochromaten muss darauf geachtet werden, dass die Glaswerkstoffe entsprechend ihrem Brechungsindex kombiniert werden.
In order to minimize the imaging error, the lens telescope had to be improved again. The British Peter Dollond succeeded in this in 1765 by installing a third lens. In the case of so-called Apochromates, care must be taken to ensure that the glass materials are combined according to their refractive index.
Der Apochromat
Refraktoren mit drei Linsen werden Apochromaten genannt. Ein Apochromat weist fast gar keine Chromatische Aberration mehr auf. Jedoch muss auch berücksichtigt werden das jede zusätzliche Linse unweigerlich zu Informationsverlust infolge Absorption im Linsenkörper führt.
Die Leistung eines Teleskopes ist vom Durchmesser der Linse abhängig. Verdoppelt man den Ø einer Linse, verdoppelt man auch die Auflösung. Die lichtsammelnde Wirkung steigt sogar Quadratisch mit der Verdoppelung des Durchmessers an. Jedoch waren der Grösse der Linsen im 17. Jahrhundert Grenzen gesetzt. Das Problem war die Herstellung der Glasblöcke aus denen die Linsen geschliffen wurden. Das Glas durfte keinerlei Einschlüsse aufweisen. Um 1785 gelang es dem Schweizer Pierre Louis Guinand als erstem (noch vor Fraunhofer) absolut homogene Glasblöcke herzustellen.
The power of a telescope depends on the diameter of the lens. If you double the size of a lens, you also double the resolution. The light-collecting effect even increases squarely with the doubling of the diameter. However, the size of the lenses was limited in the 17th century. The problem was the production of the glass blocks from which the lenses were sanded. The glass was not allowed to show any inclusions. Around 1785, the Swiss Pierre Louis Guinand was the first (before Fraunhofer) to produce absolutely homogeneous glass blocks.
Pierre Louis Guinand wurde am 20. April 1748 in La Corbatiere geboren und Verstarb am 13. Februar 1824 in Brenets. Er war gelernter Optiker und Unternehmer und führte mit seinen Söhnen eine Fabrik zur Glasherstellung. Mit seiner entwickelten Technologie war es möglich Glaslinsen höchster Reinheit herzustellen. Er leitete die berühmte Linsenmanufaktur von “Benediktbeuren” im heutigen Bayern bevor er von Joseph Fraunhofer verdrängt wurde.
Mit seinem Verfahren dem “Guinandage” konnte er den Linsenrohling mittels einem zylindrischen Ton-stab homogenisieren und somit ohne Blasen und Schlieren herstellen. Vor Guinand betrug der maximale Linsendurchmesser 10 cm. Dank seiner Technologie wurden bald Linsen mit einem Durchmesser von bis zu 60 cm und mehr hergestellt. In der Folge wurden immer grössere Linsen und somit Leistungsfähigere Teleskope gebaut.
With his "Guinandage" method, he was able to homogenize the lens blank using a cylindrical clay rod and thus produce it without blisters and streaks. Before Guinand, the maximum lens diameter was 10 cm. Thanks to its technology, lenses with a diameter of up to 60 cm and more were soon produced. As a result, ever larger lenses and thus more powerful telescopes were built.
Im 19. Jahrhundert war der Besitz des grössten Teleskopes eine Image-Angelegenheit. Rekorde wurden fast jährlich gebrochen. Der Höhepunkt wurde 1897 mit dem Grossen Refraktor von George Willis Ritchey erreicht. Seine Linse hat einen Durchmesser von 1020 mm und eine Brennweite von 19.79 Metern.
In the 19th century, the ownership of the largest telescope was an image affair. Records were broken almost every year. The climax was reached in 1897 with the Great Refractor by George Willis Ritchey. Its lens has a diameter of 1020 mm and a focal length of 19.79 meters.
Die Grenzen des technisch machbaren waren erreicht. Durch die enorme Grösse der Linse biegt sie sich durch und verursacht Verzerrungen. Infolge der Dicke des Glaskörpers wird Zuviel Licht absorbiert und schlussendlich erfordert die Montierung eine stabile Konstruktion damit keine Erschütterungen auftreten.
The limits of what is technically feasible had been reached. Due to the enormous size of the lens, it bends through and causes distortions. Due to the thickness of the vitreous, too much light is absorbed and finally the mounting requires a stable construction so that no vibrations occur.
The Big Refractor…………. at Yerkes Observatory Wisconsin USA.
Spiegelteleskope (Reflektoren)
Ein Spiegelteleskop besteht aus zwei Spiegeln, dem Primärspiegel und dem Sekundärspiegel. Das eintretende Licht wird vom Primärspiegel (Hohlspiegel) auf den Sekundärspiegel fokussiert und dieser fokussiert in eine Okularlinse. Im Gegensatz zu einem Linsenteleskop wird das Licht nicht gebrochen sondern reflektiert. Dadurch wird die Chromatische Aberration vermieden. Man unterscheidet Sphärisch und Parabolisch geschliffene Spiegel.
A reflector telescope consists of two mirrors, the primary mirror and the secondary mirror. The entering light is focused by the primary mirror (concave mirror) on the secondary mirror and this focuses into an eyepiece lens. In contrast to a lens telescope, the light is not refracted but reflected. This avoids chromatic aberration. A distinction is made between spherical and parabolic ground mirrors.
Die Parabel entsteht aus der Funktion Y = X²
Die Kreis Gleichung r² = X² + Y²
Spiegelsegmente aus Kreis und Parabel.
Selbstverständlich bestehen die Spiegel nur aus einem Segment der Parabel oder des Kreises. Spiegelteleskope gibt es in den verschiedensten Konstruktionsarten. Das Spiegel zu Beobachtungszwecken verwendet werden können ist schon seit dem 13. Jahrhundert bekannt. Der Jesuitenpater und Astronom Nicolaus Zucchius gilt als Erbauer des erste richtigen Spiegelteleskopes im Jahre 1616. Jedoch hatte sein Teleskop durch den leicht gekippten Spiegel riesige Abbildungsfehler. Issac Newton verbesserte die Konstruktion entscheidend indem er einen 45° Umlenkspiegel einbrachte, der das Licht aus der optischen Achse seitlich umlenkte und in ein Okular leitete.
Of course, the mirrors consist of only one segment of the parabola or circle. Reflector telescopes are available in a wide variety of construction types. The mirror can be used for observation purposes has been known since the 13th century. The Jesuit priest and astronomer Nicolaus Zucchius is considered the builder of the first real reflecting telescope in 1616. However, his telescope had huge imaging errors due to the slightly tilted mirror. Issac Newton significantly improved the design by introducing a 45° deflection mirror that deflected the light from the optical axis laterally and directed it into an eyepiece.
Das Newton Spiegelteleskop
Newton verwendete eine konkaven sphärischen Spiegel aus Spiegelmetall (CuSnZn). Das einfallende Licht wurde vom Primärspiegel auf einen Sekundärspiegel umgeleitet und seitlich in ein Okular abgelenkt.
Um 1672 entwickelte der französische Geistliche Laurent Cassegrain ein Spiegelteleskop mit einem durchbohrten Sekundärspiegel. Die brachte entscheidende Vorteile. Auf der einen Seite wurde die Spiegelmontierung wie bei Newton noch üblich eliminiert. Der Sekundärspiegel wird auf einer Glasscheibe untergebracht. Auf der anderen Seite wurde der Sekundärspiegel so angeordnet, dass die Fokussierung der Lichtstrahlen vom Primärspiegel hinter dem Sekundärspiegel stattfindet. Dies führt zu einer extrem kurzen Bauweise der Teleskope.
Around 1672, the French clergyman Laurent Cassegrain developed a reflecting telescope with a pierced secondary mirror. This brought decisive advantages. On the one hand, the mirror mount was eliminated as usual with Newton. The secondary mirror is housed on a glass pane. On the other hand, the secondary mirror has been arranged in such a way that the focusing of the light rays from the primary mirror takes place behind the secondary mirror. This leads to an extremely short design of the telescopes.
Das Cassegrain Spiegelteleskop
Das Licht wird von einem konkav-parabolischen Primärspiegel auf einen konvex-hyperbolischen Sekundärspiegel reflektiert und danach durch den Primärspiegel hindurch zum Okular. Cassegrain Teleskope weisen aufgrund der Spiegel eine relativ grosse Sphärische Aberration auf.
Im Laufe der Jahre wurden die Spiegelteleskope immer weiter verbessert. Heute gibt es die verschiedensten Typenkombinationen je nach Anwendung. Um die sphärische Aberration weitgehend zu eliminieren wurde das Cassegrain Teleskop mit einer sogenannten Schmidt-Platte versehen. Der asphärische Schliff dieser Linse erlaubt die Herstellung von nahezu “Koma” freier optischer Systeme.
Over the years, the reflector telescopes have been further improved. Today there are a variety of type combinations depending on the application. In order to largely eliminate spherical aberration, the Cassegrain telescope was provided with a so-called Schmidt plate. The aspherical cut of this lens allows the production of almost "coma free" optical systems.
Schmidt-Cassegrain Teleskop
Das Schmidt-Cassegrain Teleskop gehört zu den sogenannten Kata dioptrischen Teleskopen. Das Bild wird mittels Spiegeln und Linsen erzeugt. Die Schmidt-Platte (Blau) kompensiert die sphärische Aberration des Primärspiegels und ermöglicht eine fast Kommafreie Darstellung der Objekte.
Im Gegensatz zu den Refraktoren sind die Spiegelteleskope anfälliger was Erschütterungen anbelangt. Die Ausrichtung (Kollimation) der Primär und Sekundärspiegel sollte immer kontrolliert und gegebenenfalls korrigiert werden.