6. fejezet - A távcső, mint látószögnövelő eszköz

A távcsöveket szerkezeti felépítésük, illetve funkciójuk alapján csoportosítják. A szerkezeti kialakítás tekintetében megkülönböztetik a

A lencsés távcsövek [6.4.] , [6.5.] a

Ha a kényelmesebb észlelés céljából a csillagászati távcsövet képfordító optikai rendszerrel egészítik ki, azt terresztikus, vagy más néven földi távcsőnek nevezik. A csillagászati távcsőben a képfordítást végző elem, lehet prizmás felépítésű, vagy lencsés is, függően a felhasználás típusától. A földi távcsővel – ahogyan azt az elnevezése is sugallja – földi körülmények között végzünk megfigyeléseket. Ilyenkor fontos, hogy a kép egyenes állású legyen és a megfigyeléshez szükséges nagyítás és fényerő is rendelkezésre álljon.

Az elnevezéstől függetlenül csillagászati megfigyelések céljára általában tükrös, vagy katadioptrikus rendszereket alkalmaznak, ezek alapvetően a bennül alkalmazott tükörfelületek típusától, egymáshoz képesti helyzetétől, illetve a lencsés tagok funkciójától függően különböznek.  

A távcsövek felhasználása rendkívül széleskörű: a színházi, szabadidőstől, űrtechnikai, katonai, csillagászati, méréstechnikai, geodéziai felhasználásokig terjed [6.6.] , [6.7.] . A polgári mellett jelentős a katonai felhasználás is; a fegyvertávcsöveket egészen speciális kialakítás, és különleges optikai rendszer jellemezi.

Ugyan a lencsék készítését már az asszírok, az arabok és a perzsák is ismerték, azonban arról nincsenek ismereteink, hogy azokat távcsőként funkcionáló optikai rendszerbe lettek volna képesek integrálni [6.8.] . A 13. századból, Roger Bacontől származik az első följegyzés, miszerint optikai elemek felhasználásával a távoli tárgyak közelebbinek látszanak. Az első és dokumentált távcsövet Németalföldön készítették az 1600-as évek elején; előállítóik között Hans Lipperheyt, Jacob Adriaanszont, Zacharias Janssent említik. Galileo Galilei, a hozzá eljutó információk alapján építette meg saját távcsövét, és ezt használta is csillagászati megfigyeléseihez. Ezzel sikerült a Jupiter négy holdját, a Vénusz fázisváltozásait és a Hold hegyeit megfigyelnie és azokról feljegyzéseket készítenie. Az általa készített, domború és homorú lencsékből álló, egyenes állású képet adó távcsövet hollandi, vagy Galilei-féle távcsőnek nevezik, napjainkban is használják például színházi célokra, de ez az optikai elrendezés ismerhető fel egyes lézeres berendezések egyszerűbb feladatokat ellátó nyalábtágító távcsöveiben is [6.18.] .

Johannes Kepler a Német Római császár udvari csillagásza volt az, aki elsőként figyelte meg tudományos alapossággal, és jegyezte le az optikai lencsék viselkedését. Csillagászati megfigyeléseihez két domború lencsét tartalmazó – úgynevezett Kepler-féle, vagy csillagászati távcsövet – épített, amely ellentétben Galilei konstrukciójával fordított állású képet adott, de köszönhetően nagyobb nagyításának, csillagászati célokra jobban megfelelt [6.11.] .

A távcsövek képalkotási tulajdonságainak tökéletesítése útján fontos törekvés volt színhiba kiküszöbölése. Chester Moor Hall 1729-ben felismerte, hogy egy koronaüvegből készült gyűjtő és egy flintüvegből készült szórólencséből összeállított, úgynevezett akromatikus – két kitüntetett hullámhosszra egybeeső fókuszpontú – optikai rendszer generálható. A 1750-as évek végén John Dollond cége már jelentős mennyiségben és minőségben tudott akromatikus rendszereket gyártani, a különböző optikai berendezésekhez. Sajnos a minőségi fejlesztéseknek gátat szabott a szerény üvegválaszték, mely csak a 19. század második felére ért olyan szintre, hogy a színhiba mellett a többi hiba is jó minőségben vált korrigálhatóvá. Köszönhetően az egyre szélesebb üveganyag választéknak, és az egyre inkább tökéletesedő optikai gyártásnak és ellenőrzésnek, egyre nagyobb és egyre jobb képalkotású lencséket tudtak gyártani, aminek a csúcsát a pulkovói 75 cm-es (1883), a Lick 93 cm-es (1887) és a Yerkes 102 cm-es (1897) lencsék legyártása jelentette. Lényegében ezeknél nagyobb méretű lencséket távcsövekbe jelenleg sem gyártanak.

A tükrös távcsövek fejlődésének Sir Isaac Newton adott döntő lökést [6.16.] . Ugyanis a különböző anyagok színbontó képessége vizsgálata során arra a téves megállapításra jutott, hogy az egyes anyagok színbontó képessége megegyezik, így színhiba mentes lencsés optikai rendszer előállítása nem lehetséges; tehát távcsövet csak tükrös rendszerekből érdemes építeni. Meg is építette az első – róla elnevezett és ma is széles körben használt – tükrös távcsövet, ezzel elindítva a tükrös és katadioptrikus távcsövek fejlesztésének egy eredményekben igen gazdag korszakát [6.8.] . Tény, hogy a tükröket olcsóbb és egyszerűbb előállítani, továbbá a nagy méretű lencsék gyártása és szerelése számtalan technológiai nehézséget vet fel. Manapság is több méter körüli tükörátmérőjű csillagászati tükrös távcső létezik, és teszi lehetővé igen távoli objektumok hatékony és nagy felbontású megfigyelését.

A tükrös rendszerek alkalmazás melletti másik érv, hogy az egyszerűbb lencsés távcsövek másik hibája, a szférikus aberráció felületük speciális kialakításával korrigálható. Szférikus aberráció jelenléte esetén szférikus felületekből álló lencse széléhez közel belépő fénysugarak más pontban metszik az optikai tengelyt, mint a lencse közepéhez közel haladó fénysugarak [6.18.] . Ezt a rendkívül zavaró hibát nevezik még gömbi eltérésnek vagy nyíláshibának is.

Kezdetben a csillagászati fényképezés is igen komoly problémákkal küzdött, elsősorban a távcsövek üstökös hibája, vagy más néven komája miatt. Erre kínált megoldást a Ritchey és Chrétien által javasolt optikai elrendezés, amely parabola alakú főtükröt, hiperbolikus segédtükröt és konkáv felületű fotográfiai érzékelőt alkalmaz [6.1.] [6.2.] . Bernhard Woldemar Schmidt 1930-ban lencsét és tükröt tartalmazó katadioptrikus rendszert tervezett, amely egy hagyományos, és nagy fényerejű szférikus főtükröt, valamint egy speciális alakra csiszolt korrekciós lemezt használ. Ez a rendszer, az üveg anyagú tag miatt színhibát ugyan tartalmaz, de mentes az üstökös- és a nyíláshibától. A felület, amelyikre a fényérzékeny emulziót kifeszítik szintén görbült. A Schmidt típusú rendszerek szinte egy új fejezetet nyitottak az égi megfigyelések történetében. 1944-ben, az orosz Dmitrij Dmitrijevics Makszutov egy szintén a szférikus aberrációtól mentes rendszert javasolt [6.15.] ; a Makszutov-távcsőben a szférikus főtükör előtt egy erősen meniszkusz biztosítja a korrekciót.

Magyarországon az első, már csillagászati megfigyelésekre is alkalmas megfigyelő állomás a Hell Miksa által alapított nagyszombati obszervatórium. 1781-ben kezdte meg működését az egri csillagvizsgáló Specula elnevezésű tornyában, műszereivel európai színvonalat képviselt [6.3.] . A 18. század végén, Magyarországon már öt csillagvizsgáló működött (Nagyszombat, Buda, Eger, Kolozsvár és Gyulafehérvár). Az igazi fellendülés a gellérthegyi Urania obszervatórium megnyitásával, 1815-ben kezdődött. A 19. században még néhány magánkézben levő csillagvizsgáló alakult: Ógyallán Konkoly-Thege Miklós (1871), Kalocsán Haynald Lajos (1878), Herényben Gothard Jenő (1881) és Kiskartalban Podmaniczky Géza hozott létre obszervatóriumot. Ezek közül talán a legjelentősebb a magyar államra hagyományozott ógyallai csillagvizsgáló. A második világháború után az Akadémiai Csillagvizsgáló fő megfigyelőállomását a Mátrában levő Piszkéstetőre helyezte át. Fő büszkesége a Schmidt-távcső [6.9.] .

Akkorra ez a távcső már világszerte megmutatta rendkívüli hatékonyságát. A piszkéstetőihez hasonló méretű vagy nem sokkal nagyobb Schmidt-távcsövek látványosan eredményesek voltak a világ számos obszervatóriumában. A többfokos látómező nagy formátumú fotólemezekkel homogén minőségű adatok egyidejű rögzítését tette lehetővé nagy égterületekről. A Schmidt-távcsővel leginkább két területen [6.9.] vizsgálódtak:

A magyar amatőrcsillagászok első szervezete az 1920-as években alapított Stella Csillagászati Egyesület volt. Ennek utóda lett a Magyar Csillagászati Egyesület. A Budapesti Uránia 1947-ben létesült. Fő műszere egy 20 centiméter átmérőjű Merz-Heyde távcső, amely egykor az ógyallai csillagvizsgálóban állt.

A hétköznapi értelembe vett távcső általában lencserendszer képfordítóval kiegészített változatban. Optikai képalkotásuk alapja a fénytörés, elrendezésüket tekintve afokális rendszerek [6.13.] , [6.14.] , [6.18.] . A tárgylencse, vagy más néven az objektív a végtelenből párhuzamosan érkező fénysugarakat megtöri és azokat – mivel ez minden esetben gyűjtő típusú rendszer – a mögötte elhelyezkedő fókuszpontban egyesíti. A kép az okuláron keresztül, felnagyítva szemlélhető. Ha a végtelenből, adott szög alatt érkező fősugarat vizsgáljuk, akkor az az objektíven áthaladva metszi az objektív fókuszsíkját, majd tovahaladva eléri az okulárt, melyen szögeltérést szenved. Így a vizsgált fősugár, eredeti szögéhez képest – általában – nagyobb szöggel lép ki az okulárból és lép be a megfigyelő személy szemébe. A távcsőből kilépő és az abba belépő sugár szögei tangensének aránya a távcső szögnagyítása, mely megegyezik a belépő és a kilépő pupilla átmérőjének arányával. Ez igaz a Kepler és a Galilei típusú távcsőre is, azzal, hogy a Kepler típusú esetén a kilépő fősugár szögének előjele eltér a belépő fősugár szögének előjelétől, így fordított kép keletkezik. A Galilei típusú távcsőben az okulár szóró típusú rendszer, így egyenes állású kép keletkezik.

A lencsés távcsövek előnyei:

hátrányai:

A Galilei-típusú távcső előnye a viszonylag kicsi szerkezeti hossz, ami az objektív és az okulár fókusztávolságának különbségével egyenlő. A legnagyobb hátránya, hogy a kilépő pupilla a szerkezeten belül keletkezik, így az nem illeszthető a szem belépő pupillájához, attól jelentős távolságban helyezkedik el. Ez akadálya a nagyítás növelésének, ami általában 2-3-szoros.

A Kepler típusú távcső előnye, hogy a kilépő pupilla az okulár után helyezkedik el, így az könnyen illeszthető a megfigyelő személy szeméhez. A belépő pupilla átmérőjének növelésével jelentős nagyítások érhetők el. A szerkezeti hossz az objektív és az okulár fókusztávolságának összege, így az lényegen nagyobb, mint a színházi távcső esetében.

Ha a csillagászati távcsövet földi (terresztikus) célokra kívánjuk alkalmazni, képfordítóval kell kiegészíteni. Lencsés képfordítás esetén – ami általában egy -1-szeres nagyítású gyűjtő rendszernek az objektív és okulár közé illesztését jelenti – a szerkezeti hossz jelentős megnövekedésével kell számolni.

Fegyvertávcsövek esetén például ez nem akadály, azonban a kézből történő megfigyelést a jelentős méretnövekedés nehezítheti.

Ilyenkor alkalmaznak prizmás képfordítókat, melyek ismertebb típusai a

Az előbbi tört sugármenetet jelent, amelynek a beszabályozása nehézkesebb. A távcsőben lévő optikai elemek átmérőinek korlátozása céljából gyakran úgynevezett mezőlencséket alkalmaznak, melyek a képhely környezetében a sugarak irányának megváltoztatására szolgálnak. Hátrányuk, hogy ilyen elrendezésben a rajtuk lévő esteleges szennyeződések a megfigyelt képen is láthatóvá válnak.

Példa:

Egy csillagászati távcső okulárja cserélhető. Az eredeti elrendezésben az objektív gyújtótávolsága 210 mm, az okulár gyújtótávolsága 35 mm. A belépő pupilla átmérője 25 mm. Határozza meg a kilépő pupilla méretét és a nagyítás változásának mértékét, ha kicseréljük az okulárt egy 25 mm fókusztávolságúra!

Megoldás:

Tudjuk, hogy a nagyítás a belépő és a kilépő pupilla átmérőjének arányával, illetve az objektív és az okulár átmérője arányával egyezik meg. Az eredet elrendezésben a nagyítás

Az új elrendezésben

Tehát a nagyítás változás mértéke 1.4-szeres, a kilépő pupilla átmérője pedig 2.98 mm.

Az égi objektumok megfigyelésére szinte kizárólag tükrös távcsöveket használnak. Természetesen a tükrös rendszerek más területeken is alkalmazást nyernek. Nem ritkák a tükrös mikroszkóp objektívek és kondenzorok [6.19.] , de a fotográfiában is gyakran alkalmaznak tükrös teleobjektíveket [6.20.] .

Tükrökként alakra és felületi minőségre csiszolt és polírozott [6.10.] , tükröző réteggel ellátott üvegkorongokat használnak. Ha a méret és az alkalmazás szempontjából az üveg mechanikai és hőtani tulajdonságai nem megfelelők, speciális anyagokat, vagy kerámiákat használnak (Pirex, Zerodur). Az objektívek általában egy főtükörből és egy segédtükörből állnak. A rendszerbe belépő, és a főtükörről visszaverődő sugarakat a segédtükör az okulár irányába tereli, ahol a létrejövő kép megfigyelhető, illetve okulár nélküli alkalmazás esetén a kép detektoron rögzíthető a későbbi feldolgozás és archiválás céljából. A fejlődés során számtalan tükrös távcső típus alakult ki. Megegyező optikai elv mellett, a fő- és segédtükör alakjában és egymáshoz viszonyított pozíciójában lelhető fel különbözőség. A legelterjedtebb tükrös-távcsöveket az alábbiakban jellemezzük.

A Newton távcsövet elsősorban az amatőrök használják, ezért igen elterjedt típus. A főtükre kis fényerőnél szférikus, nagyobb fényerő estén parabolikus [6.3.] . Az erről visszaverődő sugarakat egy ferdén elhelyezett sík felületű segédtükör téríti el, és juttatja el az okulárhoz. Tipikus hibájuk az üstököshiba, amikor a látómező szélén lévő pontszerű objektumok leképezve nem pontszerűek, hanem rendkívül zavaróan, üstökös formájúak, a fényes mag és az elmosódott csóva igen jelentősen befolyásolja a kép értékelhetőségét. Ez a hiba a fényerő és a látószög növekedésével fokozottan jelenik meg. A segédtükör méretét a látómező határozza meg, azonban a látómező növekedésével nagyobb lesz a központi kitakarás, így csökken a fényhasznosítás.

A Cassegrain távcső olyan előnyös tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek miatt elterjedése igen jelentős. A legfontosabb előnyük a hosszú fókusztávolság melletti rövid tubushossz, ami elsősorban a segédtükörnek köszönhető. Alapkiépítésben a főtükörről visszaverődő sugarak egy domború felületű segédtükörről megnyújtva, a főtükör furatán keresztül jutnak el a megfigyelő okulárhoz.  Sajnos a főtükör nagy fényereje miatt a segédtükör is jelentős méretű, a nagy központi kitakarás miatt a szemlélt képre jellemző jelentős mértékű a fényveszteség.

Az optikai rendszer jellege miatt a képalkotási hibák közül itt is jelentős az üstökös hiba. A Cassegrain-rendszernek több változata létezik, melyekben az egyes felületek alakja eltérő.

A Schmidt-féle katadioptrikus távcső objektívje, a főtükör egy homorú tükör, amely egyszerűen és pontosan, jó minőségben előállítható szférikus felület. A szférikus felület által mutatott nyíláshibát hivatott korrigálni a főtükör elé helyezett speciális optikai elem – egy korrekciós tag –, ami nagy mértékben mérsékli a főtükör hibáját [6.17.] . A Schmidt távcsőbe belépő fény a korrekciós lemezen áthaladva éri el a gömb felületű főtükröt. A sugarak innen reflektálódva alkotnak képet. A Schmidt távcsövet Schmidt kamerának is nevezik, ugyanis elsősorban nem vizuális megfigyelésekre használják, hanem rögzíthető felvételek készítésére. A fényérzékeny anyag egy szférikus felületre feszül az eredeti elrendezésben. A Schmidt kamera korrekciós lemeze egy magasabb rendű függvénnyel írható le. Bernhard Schmidt az általa tervezett rendszerek korrekciós lemezét sík üveglemezből készítette. Ritkított levegő segítségével egy speciális, szigetelt tartály peremén alátámasztva meggörbítette, majd ebbe az alakba egy szférikus felületet csiszolt bele. A nyomás helyreállta után a korrekciós lemez kó közelítéssel vette fel a kívánt alakot.

A Maksutov távcső is katadioptrikus rendszer, megalkotása a Szentpétervár melletti Pulkovói Csillagvizsgáló optikai mérnökének, Dimitri Dimitrievics Maksutov (1896-1964) nevéhez fűződik. Itt a reflektáló és a reflektáló felületek is részt vesznek a kép létrehozásában [6.15.] . Ebben a távcsőtípusban felismerhetők a Schmidt távcső előnyei, de a korrekciós lemez egy könnyebben, és egyszerűbben elkészíthető, a főtükörhöz képest ellenkező előjelű szférikus aberrációjú meniszkusz. A színhibák korrekciója céljából szükség esetén akromatikus meniszkuszt alkalmaznak.