Fernrohr und Fernglas

Astronomische Fernrohre und Ferngläser zur Beobachtung auf der Erde sind optische Geräte, mit deren Hilfe von weiter entfernten Gegenständen Bilder erzeugt werden. Entscheidend ist dabei, dass durch ein solches optisches Gerät der Winkel, unter dem man einen Gegenstand wahrnimmt, vergrößert wird und damit mehr Details sichtbar werden.

Optische Linsen

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Auch sehr große Gegenstände erzeugen nur kleine Netzhautbilder, wenn sie weit entfernt sind. Ihr Sehwinkel ist klein. Fernrohre und Ferngläser sind optische Geräte, die den Sehwinkel weit entfernter Gegenstände vergrößern. Deshalb sagt man auch, sie holen die Gegenstände heran.

Astronomische oder keplersche Fernrohre

Aufbau und Wirkungsweise eines astronomischen Fernrohrs

Astronomische Fernrohre (Bild 1) werden auch als keplersche Fernrohre bezeichnet, weil ihr Aufbau auf den berühmten Astronomen JOHANNES KEPLER (1571-1630) zurückgeht.
Den Aufbau und den Strahlenverlauf bei einem solchen astronomischen Fernrohr zeigt Bild 2. Ein astronomisches Fernrohr besteht aus einem dem Gegenstand (Sternen, Planeten, Kometen) zugewandten Objektiv und einem Okular, durch das das Bild des Gegenstandes betrachtet wird. Bei einem keplerschen Fernrohr bestehen Objektiv und Okular aus Linsensystemen, die insgesamt wie Sammellinsen wirken.
Durch das Objektiv entsteht von einem weit entfernten Gegenstand in Bild, das man auch als Zwischenbild bezeichnet. Es ist ein verkleinertes, umgekehrtes, seitenvertauschtes und reelles Zwischenbild.
Das Okular ist so angeordnet, dass sich dieses Zwischenbild innerhalb der einfachen Brennweite dieses Linsensystems befindet. Das Okular wirkt somit wie eine Lupe und erzeugt von dem Zwischenbild ein vergrößertes, aufrechtes, seitenrichtiges und virtuelles Bild.

Damit sieht man in einem astronomischen (keplerschen) Fernrohr insgesamt ein verkleinertes, umgekehrtes, seitenvertauschtes und virtuelles Bild des Gegenstandes.
Dass das Bild umgekehrt und seitenvertauscht ist, spielt für astronomische Beobachtungen keine Rolle. Man muss das aber beachten, wenn man z. B. mit einem solchen Fernrohr bestimmte Stellen der Mondoberfläche betrachten will. Für irdische Beobachtungen ist ein solches Fernrohr wegen des umgekehrten und seitenvertauschten Bildes nicht geeignet.

Strahlenverlauf bei einem astronomischen oder keplerschen Fernrohr

Betrachtet man den Mittelpunktsstrahl, der vom Gegenstand durch das Objektiv fällt, so fällt dieser unter dem Winkel $α_{1}$ in das Fernrohr und verlässt dieses unter dem Winkel $α_{2}$ . Dieser Sachverhalt ist in Bild 3 dargestellt. Da die Bildweite des Objektivs für einen unendlich weit entfernten Gegenstand die Brennweite $f_{1}$ des Objektivs und die Gegenstandsweite des Okulars bei maximaler Vergrößerung der Lupe $f_{2}$ ist, ergibt sich:
$\tan α_{1} = \frac{B}{f_{1}}$ , $\tan α_{2} = \frac{B}{f_{2}}$ also $\frac{\tan α_{2}}{\tan α_{1}} = \frac{B \cdot f_{1}}{f_{2} \cdot B} = \frac{f_{1}}{f_{2}}$

Sehwinkel bei einem astronomischen Fernrohr

Betrachtet man die Netzhautbilder, die bei einem Sehwinkel $α_{1}$ bzw. $α_{2}$ entstehen (Bild 4), dann ist deren Größe gerade vom Tangens des Winkels bestimmt. Somit gilt:

Die Vergrößerung des Netzhautbildes durch ein astronomisches Fernrohr beträgt $A = \frac{f_{O b j e k t i v}}{f_{O k u l a r}}$

Auflösungsvermögen des Fernrohrs

Beim Fernrohr wird wie beim Auge das Auflösungsvermögen vom Objektivdurchmesser bestimmt. Es ist umso größer, je größer der Objektivdurchmesser ist. Deshalb baut man Fernrohre mit möglichst großen Objektivdurchmessern. Trotzdem kann man auf der Erde durch die Dichteschwankungen der Atmosphäre das theoretische maximale Auflösungsvermögen der größten Teleskope nicht erreichen. Deshalb hat man inzwischen mit dem HUBBLE-Weltraumteleskop ein Teleskop außerhalb der Erde in Stellung gebracht, dessen Auflösungsvermögen nur vom Durchmesser des Objektivs begrenzt wird.

Sehwinkel, bezogen auf die Netzhaut

Das galileische Fernrohr

Beim galileischen Fernrohr - man nennt es auch holländisches Fernrohr - wird die Lupe durch eine Zerstreuungslinse ersetzt (Bild 5). Ihre dem Auge zugewandte Brennebene fällt mit der Brennebene des Objektivs zusammen. Das vom Objektiv gebündelte Licht wird durch die Zerstreuungslinse zu einem parallelen Lichtbündel gebrochen und verlässt das Okular unter einem größeren Winkel. Dadurch erhält man ein größeres Netzhautbild. Der Vorteil dieses Fernrohrs ist die geringere Baulänge und ein aufrechtes seitenrichtiges Bild. Deshalb wurde es vor allem von Seefahrern für die Beobachtung auf der Erde verwendet.

Aufbau und Strahlenverlauf bei einem galileischen Fernrohr

Das Spiegelteleskop nach NEWTON

Da in der Astronomie die zu beobachtenden Objekte oft sehr lichtschwach sind, benötigt man große Objektivöffnungen. Dazu verwendet man statt einer Linse einen Hohlspiegel als Objektiv (Bild 6). Das Zwischenbild liegt vor dem Hohlspiegel und wird mit einem Spiegel zur Seite reflektiert, wo es mit einer Lupe betrachtet werden kann. Durch diese Bauart sind wesentlich größere Fernrohre möglich, weil bei Linsenfernrohren, das Gewicht und die Dispersion der riesigen Linse große Probleme verursachen würde. Der Aufbau eines solchen Spiegelteleskops geht auf ISAAC NEWTON (1643-1727) zurück. Es wird deshalb auch als newtonsches Spiegelteleskop bezeichnet.

Aufbau und Strahlenverlauf bei einem Spiegelteleskop

Aufbau und Wirkungsweise eines Fernglases

Ferngläser für die Beobachtung von Gegenständen unserer Umgebung werden auch als Feldstecher bezeichnet (Bild 7). Sie bestehen wie ein astronomisches Fernrohr aus Objektiv und Okular und sind in der Regel für das Sehen mit beiden Augen ausgelegt.
Im Unterschied zum astronomischen Fernrohr soll aber beim Fernglas ein aufrechtes Bild entstehen. Das kann man in unterschiedlicher Weise erreichen:

In das Fernglas wird ein Umkehrprisma eingebaut, durch welches das Bild umgekehrt wird. Damit sieht man ein aufrechtes und seitenrichtiges Bild der Gegenstände. Solche Ferngläser bezeichnet man auch als Prismenfeldstecher.
In das Fernglas wird zwischen Objektiv und Okular eine zusätzliche Linse eingebaut. Diese Linse wirkt als Umkehrlinse, sorgt also dafür, dass aus dem umgekehrten und seitenvertauschten Bild ein aufrechtes und seitenrichtiges Bild wird.
Als Okular wird eine Zerstreuungslinse genutzt. Ein solches Fernglas bezeichnet man als holländisches oder als galileisches Fernglas. Wegen ihrer kurzen Baulänge werden solche Ferngläser als Theatergläser genutzt.

Die Vergrößerung von Ferngläsern beträgt meist zwischen 6 und 20. Es gibt auch Ferngläser, bei denen man eine unterschiedliche Vergrößerung einstellen kann. Auf Ferngläsern findet man meist Angaben wie z. B. 8 x 30 (siehe Bild 7) oder 12 x 60. Das bedeutet: Das Fernglas hat eine 8fache bzw. eine 12fache Vergrößerung. Der Durchmesser des Objektivs beträgt 30 mm bzw. 60 mm. Je größer dieser Durchmesser ist, umso lichtstärker ist das Fernglas. Deshalb wählt man bei sogenannten Nachtsichtferngläsern möglichst große Objektivdurchmesser. Sie dürfen nicht mit Nachtsichtgeräten verwechselt werden, bei denen elektronisch eine Verstärkung von Restlicht erfolgt.

Strahlenverlauf bei einem Fernglas (Feldstecher)

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