Csillagászati műszertechnika

5. Egyes távcsőtípusok ismertetése

Refraktorok

A refraktorok között két típust szokás emlegetni, amik közt 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 lnyeges 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 ill. a két, három vagy néngytagú 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 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 kétagú 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 aszférikus aberráció javítása mellet 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.

A legelterjedtebb optikai elrendezésben egy parapoloid főtükör és egy sík segédtükör található az alábbi ábrán kátható elrendezésben:

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

Nagy fényerők mellet 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 kiatakarás, ami mint láttuk, csökkenti a kontrasztot. Meg kell tehát találni az optimumot, ez kb. 20%-os kitakarás (átmérőben) szokott lenni. Nem szabad elfelejetni azt sem, hogy a segedtükrőt az optikia tengelytől kissé arrébb kel helyezni, az aokulárkihuzattal 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 kiatakrások esetén a képsík kivilágítottsága a z optikai tengelytől mért távolság függvényében:

A Cassegrain távcső egy paraboloid, homorú főtükörből és egy hiperboloid, domború segédtükörből áll. Előbbi fényerős, a rendszer erdő 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:

rendszer elnevezése	főtükör alakja	segédtükör alakja
klasszikus Cassegrain	paraboloid	hiperboloid
Dall-Kirkham	ellipszoid	gömb
Ritchey-Creatien	hiperboloid	hiperboloid
Pressman-Camichel	gömb	ellipszoid

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-Creatien (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.

Ez a típus kifejezetten fotografikus megfigelésekre készült, ugyanis látszólag ellentmondásos tulajdonságot egyesít: az igen fényerős műszer nagy látómező mellett ad hibátlan leképezést. Persze ennek megvan az ára: a fókuszfelület görbült (gömb) és a tubus belsejében helyezkedik el, illetve az ugyan könyen 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 renszerek esetén alig tér el a síktól, fényerős rendszerekre azonban nagy eltérések leehetnek:

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 fotolemezekre többtucat négyzetfokos égterületek voltak rögzíthetőek. Pl. a ma is igen hasznos DSS (Digitized Sky Survey) a Palomar hegyi Schmidt távcső lemezeinek digitalizálásával készült.

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 korekciós 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 alatt) 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 árfúrva ahhoz rögzíthető a filmtartó, így nem kell difrrakciót okozó tartólábakat szerelni a tubusba.
A következő ábrákon Makszutov távcsövek spot diagramja és kromatikus aberrációját reprezentáló grafikonjai láthatóak:

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

Nem csak egy, illetve két tükörből (plusz esetleg korrekciós lemez) álló képalkotó rendszerek léteznek, hanem 3, 4 sőt akár 5 tükrös, több optikia 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: