5. Egyes távcsőtípusok ismertetése

Refraktorok

A refraktorok között két típust szokás emlegetni, amik között az okulárban van különbség. A Galilei-féle távcső ugyanis negatív, egytagú okulárral rendelkezik, a kép egyenes állású, a Kepler-féle távcső pedig egytagú pozitív okulárral állít elő fordított állású képet. A mai modern refraktorok ez utóbbinak továbbfejlesztett változatai, a lényeges különbség a két típus között ugyanis az, hogy utóbbival nagyobb látómező érhető el. Az első csillagászati refraktor használata, 1609 óta a változás az objektív és okulár tagjainak számában és kiképzésének minőségében történt, a színi hibával terhelt egytagú objektíveket felváltották a kéttagú akromátok, illetve a két, három vagy négytagú apokromátok, illetve az okulárok terén is az egyszerű egytagú okulárokból akár 7-8 lencsetagot tartalmazó okulár lett az idők során.

Az egyszerű lencseobjektívek két fő hibával terheltek, ez a szférikus- és a kromatikus aberráció. Mind a két hibát ugyanazon eljárással lehet csökkenteni: nem egytagú, hanem összetett lencsék alkalmazásával, melyek különböző törésmutatójú anyagból készülnek, az egyik gyűjtő, a másik szórólencse. A frontlencse rendszerint pozitív, koronaüveg 1,5 körüli törésmutatóval és alacsony diszperzióval, a hátsó tag flintüveg, 1,6 körüli törésmutatóval és magas diszperzióval, köztük légrés (Fraunhofer-dublett) vagy esetleg a két tag egymáshoz illesztett, ragasztott. Nem mindegy azonban az egyes lencsék alakja sem, ahogy az alábbi ábra is mutatja egy egytagú domború lencse esetén a kóma és a szférikus aberráció akkor minimális, ha a lencse bikonvex és a görbületi sugarak aránya kb. 1:6, és a nagyobb görbületű oldal néz az objektum felé:

A tagok alakját lehet változtatni optikai erősségük megváltoztatása nélkül, ez viszont lehetőséget ad az aberrációk csökkentésére. Az alábbi ábrán egy kéttagú akromát két lencséjének longitudinális szférikus aberrációját tüntettük fel külön-külön, illetve a két lencsét összerakva az eredő rendszer aberrációját.

A kómahiba a légrés méretével, alakjával szabályozható. A látómező görbülete azonban két tag esetén nem sokat csökkenthető, nagylátómezejű asztrokamerákban ezért három vagy több lencsetagot alkalmaznak. Sok paramétert lehet változtatni, mint az üvegtípus (2), görbületi sugarak (4), légrés (1), vastagság (2), így számos variáció lehetséges.
Az egyik legfontosabb előnye a két vagy többtagú objektíveknek az aszférikus aberráció javítása mellett a kromatikus korrekció. A kék és a vörös sugarak fókusza közötti különbséget másodlagos spektrumnak nevezik. Ez egy hagyományos Fraunhofer-dublett esetén 0,0005f, vagyis a fókusz 1/2000-ed része.

Speciális anyagok felhasználásával (kalcium-fluorit) a másodlagos spektrum a fókusz 1/16000-ed részére csökkenthető. Sokkal pontosabb képet ad azonban az egyes hullámhosszakra vonatkozó fókusztávolság-tengelytávolság grafikonok megadása, amikre egy-egy példát mutat az alábbi ábra. Itt az is leolvasható, hogy a látómező különböző részein milyen a színezés mértéke. Három lencsetaggal elérhető, hogy ne csak két, hanem három színben is ugyanaz legyen a fókusztávolság a látómező egy pontján (rendszerint a tengelyen), ezeket az objektíveket apokromátnak nevezzük.

A következő ábra három objektív spot diagramját mutatja, egy f/15-ös Fraunhofer dublett, egy speciális anyagból készült ún. félapokromatikus objektív és egy fluorit dublett esetében. Jól látható, hogy a nem fényerős egyszerű akromátok csak egy színben adnak igazán éles képet, míg apokromatikus objektívekkel fényerős esetben is szép, színezésmentes kép kapható.

Newton-reflektor

A legelterjedtebb optikai elrendezésben egy paraboloid főtükör és egy sík segédtükör található az alábbi ábrán látható elrendezésben:

A főtükör fényereje f/4-f/12 közötti általában, f/4-nél fényerősebb műszerben már túl erős a kóma az optikai tengelytől kis távolságra is, a nagyon kis fényerejű műszerek pedig nehezen használhatóak. f/10-f/12 körül még alkalmazhatóak a szférikus tükrök is, azonban a szférikus aberráció rohamosan nő a fényerővel, ezt szemlélteti az alábbi ábra, ami a párhuzamosan beérkező sugarak leképezése során kapható legkisebb átmérőjű foltot mutatja:

Nagy fényerők mellett a tükör alakja is egyre jelentősebben eltér a gömbtől, 200 mm-es f/10-es tükör esetén a peremen a paraboloid és a szferoid eltérése 0,0002 mm, míg f/4 esetén 0,0031 mm. A parabolizálás ellenére is jelentős a kómahiba nagy fényerőknél, ezt mutatja a következő spot diagram:

A segédtükör méretét a kívánt látómező alapján kell méretezni. Minél nagyobb látómezőt akarunk azonban elérni, annál nagyobb lesz a központi kitakarás, ami amint láttuk, csökkenti a kontrasztot. Meg kell tehát találni az optimumot, ez kb. 20%-os kitakarás (átmérőben) szokott lenni. Nem szabad elfelejteni azt sem, hogy a segédtükrőt az optikai tengelytől kissé arrébb kell helyezni, az okulárkihuzattal átellenes irányban. Ennek mértéke annál nagyobb, minél fényerősebb a rendszer. Egy b átmérőjű látómező kivilágításához d= (a/N) + b - (ab/f) méretű segédtükör szükséges, ahol N a fényerő, f a fókusztávolság. Különböző fényerők és központi kitakarások esetén a képsík kivilágítottsága az optikai tengelytől mért távolság függvényében:

Cassegrain-reflektorok

A Cassegrain távcső egy paraboloid, homorú főtükörből és egy hiperboloid, domború segédtükörből áll. Előbbi fényerős, a rendszer eredő fényereje azonban általában kicsi, f/12-f/15 körüli.

A fókusznyújtásnak köszönhetően a tubushossz kicsi, a műszer könnyen kezelhető. Nagyobb tubushossz esetén a központi kitakarás is nő, azonban egy paraméter jelentősen csökken, mégpedig a látómező görbülete: az alábbi ábrán látható esetekben az alsónál sokkal kisebb. Mindkét rendszer 20 cm átmérőjű és eredő fókuszuk 2000 mm, az elsőnél 5, a másodiknál 2-szeres a nyújtás, a látómező görbületi sugara az elsőnél 160 mm, a másodiknál 3287 mm. Vagyis nagy, sík látómezők eléréséhez nagyobb kitakarású és kisebb nyújtású rendszerek alkalmasak. (A fókuszfelület további optikai elemek segítségével síkká tehető, l. a következő előadás anyagát.)

A Cassegrain-rendszernek több változata létezik, melyekben az egyes felületek alakja eltérő:

A fenti elrendezések közül mindegyik mentes a szférikus aberrációtól, azonban a gömbtükröt tartalmazó rendszerekben erős a kómahiba, így azok csak igen kis látómezők esetén használhatóak. Jobbra a Dall-Kirkham, balra a négy rendszer összehasonlító spot diagramja látható:

A Ritchey-Chrétien (RC) rendszer a legalkalmasabb fotografikus megfigyelésekre, ez a típus a legelterjedtebb a nagy csillagászati távcsövek között. Sajnos azonban kb. 1 fokos látómezőnél már jelentősen megnő a csillagok képének mérete és jelentkezik az asztigmatizmus. Jól mutatja ezt az alábbi két spot diagram, a klasszikus Cassegrain és tőle balra a RC. E rendszerben a legnagyobb egyúttal a látómező görbülete is.

Schmidt távcsövek

Ez a típus kifejezetten fotografikus megfigyelésekre készült, ugyanis látszólag ellentmondásos tulajdonságot egyesít: az igen fényerős műszer nagy látómező mellett ad hibátlan leképezést. Persze ennek meg van 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:

A korrekciós lemez egy negyedrendű függvénnyel adható meg f/3 vagy ennél fényerőtlenebb műszer esetén. A korrekciós lemezt sík üveglemezből készítik, azt peremén alatámasztva egy speciális szerszámon vákuum segítségével meggörbítik, majd egy gömbfelületet csiszolnak. A vákuum megszünte után az üveglemez felveszi a kívánt alakot. Ennek lehetséges keresztmetszeti képét mutatja az alábbi ábra, a neutrális (0 optikai erősség) zóna különféle elhelyezkedései esetén.

A korrekciós lemez nem túl fényerős rendszerek esetén alig tér el a síktól, fényerős rendszerekre azonban nagy eltérések lehetnek:

A korrekciós lemez átmérője kisebb, mint a főtüköré, pl. ha egy 90 cm-es tükör esetén 15 cm hasznos, vignettálatlan látómezőt szeretnénk, akkor 90-(2x15)=60 cm-es korrekciós lemezt kell alkalmazni.
A spot diagram jól mutatja, hogy igen nagy látómezőn pontszerű a leképezés egy adott hullámhosszra, sőt, ha akromatikus korrekciós lemezt használunk (az akromát objektívekkel teljesen analóg elven és kivitelezésben), akkor egyszerre több színben is tökéletes leképezést kapunk igen nagy látómezőben:

A látómező görbülete a Cassegrain rendszereknél említett síkítólencsékkel itt is korrigálható bizonyos mértékben.
A Schmidt-távcsövek tették lehetővé a fotografikus égboltfelméréseket. Az akár 40x40 cm-es fotólemezekre több tucat négyzetfokos égterületek voltak rögzíthetőek. Pl. a ma is igen hasznos DSS (Digitized Sky Survey) a Palomar hegyi Schmidt távcső lemezeinek digitalizálásával készült.

Makszutov távcsövek

E típus is, akár a Schmidt távcső, a katadioptrikus műszerek közé tartozik. E távcsövekben mind reflektáló, mind fénytörő felületek részt vesznek a képalkotásban. A Makszutov távcső megalkotását az vezérelte, hogy a Schmidt előnyös tulajdonságaival rendelkező, de könnyebben elkészíthető korrekciós lemezt alkalmazó műszert készítsenek. E rendszerben egy erősen görbült negatív meniszkuszt helyeznek a gömbtükör elé, amelynek szférikus aberrációja ellenkező előjelű, mint a gömb főtüköré. E korrektor gyártása azonban nagyobb méretekben se nem egyszerűbb, se nem olcsóbb, mint a Schmidt korrektoré, így csak kisebb (50 cm alatti) asztrokameráknál alkalmazzák. Az alábbi ábrán látható elrendezésben minden optikai felületnek és a fókuszsíknak is azonos a görbületi középpontja.

A jobb leképezés érdekében a Makszutov korrektornak is létezik akromatikus változata, illetve az ún. nem koncentrikus korrektor, amikor a két felület görbületi középpontja nem esik egybe:

A nonkoncentrikus korrektor esetében az apertúra - ami addig a fenti ábrán látható módon a főtükör görbületi középpontjában volt - közvetlen a meniszkusz elé helyezhető, a megnövekvő asztigmatizmus pedig csökkenthető, ha a korrektor közelebb kerül a főtükörhöz. Ezáltal az egész tubus hossza a fókusz 1,3-szerese, vagyis sokkal kompaktabb a műszer, mint egy hasonló Schmidt távcső. További előny, hogy a meniszkusz közepét átfúrva ahhoz rögzíthető a filmtartó, így nem kell diffrakciót okozó tartólábakat szerelni a tubusba.

A következő ábrákon Makszutov távcsövek spot diagramja és kromatikus aberrációját reprezentáló grafikonok láthatóak:

Schmidt-Cassegrain távcsövek

E típus elsősorban a mai amatőrtávcsövek között népszerű, néhány amerikai cég tömegesen, elérhető áron gyártja. Előnye az igen kompakt, zárt tubus, ezáltal a hordozhatóság, a nagyon jó színkorrigáltság. A jól ismert Schmidt-Cassegrainek azonban csak egy típusát képviselik e katadioptrikus családnak, melyek közül négy variánst mutat a következő ábra:

Alapvetően két típusra oszthatjuk az igen eltérő karakterisztikájú SC-ket:
- az egyik a görbült fókuszfelülettel, kis központi kitakarással (erős nyújtással) rendelkező, vizuális használatra tervezett,
- a másik a viszonylag sík fókuszfelületű, fotografikus rendszerek, nagy központi kitakarással (kis nyújtással).

Amennyiben mindkét tükör gömb, csak az optikai tengelyen jó a leképezés, a segédtükör aszférizálásával és a korrektor mozgatásával azonban optimalizálható a leképezés. Egy gyári amatőr műszer esetén is ez utóbbit alkalmazzák, egy ilyen műszer tipikus méreteit és kromatikus aberrációját mutatják az alábbi ábrák. E műszereknél gyakran a fókuszálást a segédtükör-főtükör távolság változtatásával, a főtükör mozgatásával oldják meg, ami sokszor a kép fókuszálás közbeni imbolygásához, illetve a képminőség romlásához vezet. Egy adott rendszer esetén a leképezési hibák ui. csak az optikai elemek egy adott elhelyezkedése esetén csökkenthetőek.

Az alábbi ábrákon két Schmidt-Cassegrain elrendezés spot diagramja látható:

Makszutov-Cassegrain távcsövek

A Schmidt-Cassegrainokhoz hasonló tulajdonságokkal rendelkezik, szintén számos variációban létezik:

A Gregory-Makszutov elrendezésben a meniszkusz belső oldalának egy darabja a segédtükör, minden felület gömb, a fényerő viszont kicsi, f/23. Az egyik tükörfelület aszferizálásával azonban f/15-os rendszert lehet készíteni, bár ezzel szemben az általában f/10 SC rendszerek fényerősebbek. A fenti ábrán látható Simak és Sigler elrendezésekben a három optikai elem egymástól mért távolságának változtatásával azonban fényerősebb, f/8-f/4 rendszerek is készíthetőek megfelelő korrigáltság mellett.

Gregory távcső

A Gregory rendszer ma kevésbé elterjedt, a negatív segédtükör miatt ugyanis hosszabb tubus szükséges, mint a hasonló nyújtási karakterisztikájú Cassegrain esetében.

Makszutov-Newton, Schmidt-Newton

A Newton távcső módosítható egy korrekciós - Makszutov vagy Schmidt - lemez elhelyezésével a tubus elején, mely egyúttal a segédtükör tartására is szolgál, bár fő feladata a Newtonok erős aberrációinak csökkentése:

Az alábbi spot diagramok jól mutatják, hogy egy SN esetén kisebb a kómahiba, azonban ha a főtükör gömb helyett ellipszoid (Wright), akkor a kóma és asztigmatizmus tovább csökkenthető. A jobb oldali ábra egy MN spot diagramja, mely karakterisztikusan a bal ábra SN-hoz hasonló, a leképezési hibák azonban közel fele akkorák.

Szuperfényerős rendszerek

Elsősorban a műholdak megfigyelése, azok fényképezése tette szükségessé igen nagy fényerejű, akár f/0,8-as rendszerek építését. Ezek egyik legismertebb változata a Baker-Nuun Schmidt kamera. Az alábbi ábrák szuperfényerős rendszerek felépítésére mutatnak példákat:

Többtükrös rendszerek

Nem csak egy, illetve két tükörből (plusz esetleg korrekciós lemez) álló képalkotó rendszerek léteznek, hanem 3, 4, sőt akár 5 tükrös, több optikai tengelyes megoldások is. Az alábbi ábrákon ezekre példaként bemutatott elrendezések talán furcsának tűnnek első ránézésre, érdemes azonban megvizsgálni a spot diagramokat. Ezek megmutatják, hogy szinte tökéletes leképezés érhető el e rendszerekkel, igaz, nem nagy látómező mellett.

A Loveday-teleszkóp egy Cassegrain és egy Newton egyesítése, többszörösen összehajtogatott fénymenettel, kis fényerővel, azonban igen jó leképezéssel:

Ferdetükrös rendszerek

Mint láttuk, a segédtükör diffrakciót okoz, vagyis az Airy gyűrűkbe juttatja az Airy korong fényének egy részét, csökkentve ezzel a kontrasztot. Kisebb méretek esetén elképzelhető, hogy a távcső optikai elemei nem tengelyszimmetrikusak, hanem pl. egy ismert elrendezés optikai tengelyből kiesően kimetszett darabjai. Így elkerülhető a központi kitakarás, refraktorszerű kép kapható színezésmentesen a tükröknek köszönhetően: