Linsenfernrohr
Ein Refraktor, auch Linsenfernrohr genannt, ist ein Teleskop, bei dem das einfallende Licht durch eine oder mehrere Linsen - das Objektiv - gesammelt und in einer Brennebene gebündelt wird. Das Abbild in der Brennebene wird mittels eines vergrößernden Okulars betrachtet.
Nach dem Konstruktionsprinzip unterscheidet man das Galilei-Fernrohr oder Holländische Fernrohr vom Kepler-Fernrohr oder astronomischen Fernrohr.
Galilei- und Kepler- Fernrohr
Galileoteleskop mit Sammel- und Zerstreuungslinse, Keplerteleskop mit zwei Sammellinsen
Galileifernrohr (oben) und Keplerfernrohr (unten)
Galilei-Fernrohr
Das Galilei-Fernrohr hat als Objektiv eine Sammellinse und als Okular eine Zerstreuungslinse kleinerer Brennweite. Es besitzt ein kleines Gesichtsfeld, stellt die Objekte aber aufrecht und seitenrichtig dar. Es ist heute nur noch als Opernglas und als fest installiertes Aussichtsfernrohr in Gebrauch.
Kepler-Fernrohr
Beim Kepler-Fernrohr werden sowohl für das Objektiv als auch für das Okular Sammellinsen verwendet. Die Vergrößerung eines Refraktors ergibt sich aus dem Verhältnis der Brennweiten des Objektivs und des Okulars. Ein Gerät mit 1.000 mm Objektiv-Brennweite und 5 mm Okular-Brennweite besitzt somit eine 200fache Vergrößerung.
Kleine Fernrohre und Ferngläser charakterisiert man durch zwei Zahlenangaben, z.B. 6 x 20 mm (Taschengerät) oder 20-40 x 50 (Spektiv). Die erste Angabe bezieht sich auf die Vergrößerung und Apertur, die zweite auf die Öffnung des Objektivs in mm. Variable Vergrößerungen (z.B. 20-40) werden durch Zoom-Okulare ermöglicht. Durch den Einsatz eines Binokulars entsteht der Eindruck des räumlichen Sehens, wodurch sich die Wahrnehmung verbessert.
Allerdings steht das Bild auf dem Kopf und ist seitenverkehrt. Bei Ferngläsern (Feldstechern) und Spektiven wird das verkehrte Bild des Kepler-Fernrohrs mittels verschiedener Prismensysteme um 180° gedreht. Je nach Ausführung ergibt sich eine kürzere Bauweise. Die Bildumkehr kann auch durch eine Umkehrlinse erfolgen. Ein solches Gerät ist als Ausziehfernrohr oder Terrestrisches Fernrohr für unterwegs oder auf See gedacht. Es ist trotz Vergrößerungen von etwa 20-fach bis 60-fach klein, zusammenschiebbar und preiswert. Nachteilig sind die geringere Lichtstärke und der Zutritt von Außenluft. Neuere Bautypen und Spektive haben daher einen festen Tubus und verkürzen die Baulänge durch ein geradsichtiges oder leicht geknicktes Umkehrprisma. Das verkehrte Bild wird bei den größeren Teleskopen der Astronomie in Kauf genommen, da die Ausrichtung der Beobachtungsobjekte am Himmel in der Regel keine Rolle spielt. Zur Verbesserung des Einblick ins Okular werden häufig 90°- oder 45°-Umlenkprismen eingesetzt, die ein aufrechtes aber seitenverkehrtes Bild liefern.
Das Gesichtsfeld ist bei gleicher Instrumentengröße ausgedehnter als beim Galilei-Fernrohr.Zielfernrohre für die Jagd haben geringe Vergrößerung bei hoher Lichtstärke und ein Gesichtsfeld, das auf den Einblick aus größerer Distanz optimiert ist.
Für spezielle Aufgaben werden in der Astronomie auch Linsensysteme und mechanische Bauweisen verwendet, die sich von den normalen Refraktoren unterscheiden. Beispielhaft seien hier "Kometensucher" und große Doppelfernrohre genannt, sowie Astrografen und Zenit-Teleskope.
Das Fernrohrobjektiv
Jede optische Linse weist mehr oder weniger starke Farbfehler auf. Die unterschiedlichen Wellenlängen des Lichtes werden unterschiedlich stark gebrochen. Langwelliges rotes Licht wird weniger stark gebrochen als kurzwelliges blaues Licht. Somit liegt für jeden Wellenlängenbereich ein eigener Brennpunkt vor. Bei der praktischen Beobachtung führt dies zu störenden Farbsäumen. Die Fehler werden umso stärker, je kürzer die Brennweite des Objektivs ist.
In der Vergangenheit versuchte man den Fehler mitunter dadurch zu minimieren, indem man möglichst langbrennweitige Teleskope konstruierte. So benutzte der Danziger Gelehrte Johannes Hevelius meterlange "Luftteleskope".
Ein weitere Möglichkeit der Minimierung besteht in der Kombination von Glaslinsen mit unterschiedlichen Brechungsindizes, sog. Krongläser und Flintgläser. Bedeutende Verbesserungen auf diesem Gebiet erzielte der deutsche Physiker Joseph von Fraunhofer.
Hochwertige Objektivlinsen aus mehreren Gläsern werden als Achromate oder Apochromate bezeichnet.
Auch die Okulare von Teleskopen bestehen aus mehreren Linsen, um Fehler zu korrigieren und das Gesichtsfeld zu verbessern. Mit zunehmender Fernrohrgröße und Qualität wird der Entwurf und Bau solcher Linsensysteme sehr aufwändig.
Die Herstellung von Glaslinsen ist nur bis zu einem gewissen Durchmesser sinnvoll. Sie biegen sich unter ihrem Eigengewicht durch. Wird diese Durchbiegung zu groß, ist das Objektiv unbrauchbar. Mit zunehmender Dicke absorbieren Glaslinsen zunehmend Licht, wodurch die Leistungsfähigkeit beeinträchtigt wird. Darüber hinaus führen die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Glasarten eines Objektivs zu mechanischen Problemen.
Bedeutende astronomische Instrumente
Von etwa 1860 bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts wurden sehr große Refraktoren gebaut, darunter der 76 cm-Refraktor des Observatoriums von Nizza, der 83 cm-Refraktor von Paris und der 91 cm-Reeefraktor des Lick-Observatoriums in den USA. 1896 wurde der 68 cm-Refraktor der Archenhold-Sternwarte in Berlin in Betrieb genommen, der mit 21 m Brennweite der längste bewegliche Refraktor der Welt ist. 1897 wurden allerdings mit der Fertigstellung des 102 cm-Refraktors des Yerkes-Observatoriums die Grenzen des technisch Machbaren erreicht.
Die Optik neuer großer Beobachtungsgeräte für die astronomische Forschung besteht deshalb nur noch aus Spiegelsystemen. Die leistungsfähigsten Reflektoren erreichen heute Durchmesser von 8 bis 10 m und sind mit ihren Leistungen den Refraktoren weit überlegen. Durch adaptive Optiken können sogar atmosphärische Störungen ausgeglichen werden.
Vorsichtsmaßnahmen
Bei der Sonnenbeobachtung durch ein Teleskop muss zwingend ein geeigneter Sonnenfilter verwendet werden, der vor dem Objektiv anzubringen ist. Kleine Glasfilter, die vor die Okulare geschraubt werden, können infolge Hitzeentwicklung platzen und schlimmstenfalls zur Erblindung des Beobachters führen.