Lencsés-távcsövek

A refraktor típusú távcsövek képalkotása a fénytörésen alapszik. Az objektív lencse a párhuzamosan érkező fénysugarakat megtöri és a lencse mögött a fókuszpontban egyesíti őket. A keletkezett kép fordított állású. A képet az okuláron keresztül, felnagyítva szemlélhetjük.

A legelső csillagászati távcsövek refraktorok voltak. Először Galilei készített egyszerű lencsés távcsöveket csillagászat megfigyelésekre. A Galilei féle távcsövekben a domború (konvex) objektív mögött egy homorú (konkáv) szemlencsét helyezünk el, mégpedig az objektív fókuszán belülre. Az ilyen távcsövek ugyan egyenes állású képet adnak, de a látómező mérete nagyon kicsi lesz, nem is beszélve a számos optikai hibáról amelyek az egyszerű, egytagú lencsék alkalmazásából erednek. Manapság csillagászati célokra nem használnak Galilei féle távcsöveket. A mai modern refraktorok őse a Kepler által továbbfejlesztett lencsés távcső.A Kepler típusú távcsövekben a negatív (konkáv) szemlencse helyett domború lencsét találunk, ami az objektív primér fókusza mögött helyezkedik el. Teljesítménye jobb elődjénél, a Galieli féle távcsőnél. A keletkezett kép fordított állású ugyan, de ez csillagászati megfigyeléseknél nem zavaró.(Valamennyi csillagászati távcső fordított állású képet ad).

Sajnos az egyszerű lencsés távcsövek számos optikai hibával terheltek. Ezek közül is a legsúlyosabb a színi hiba, vagy kromatikus abberáció. Az egyszerű lencsék a látható fény különböző hullámhosszú összetevőit nem pontosan egy pontban fókuszálják. A rövidebb hullámhosszú fénysugarak fókuszpontja az objektívhez közelebb, míg a hosszabb hullámhosszú fénysugarak fókusza távolabb van. Így tulajdonképpen nem egyetlen közös fókuszpontot kapunk, hanem fókuszpontok sorozatát. Az ilyen, kromatikus abberációval terhelt távcsövek "színeznek", vagyis hamis színeket (kékes-lilás)mutatnak a fényesebb objektumok körül.

Az egyszerűbb refraktorok másik hibája a gömbi hiba, vagy szférikus aberráció. Az objektív lencse széléhez közel belépő fénysugarak más pontban fognak fókuszálódni, mint az objektív közepéhez közel belépő fénysugarak. Akárcsak a színi hiba esetén, itt sem kapunk egyetlen közös fókuszpontot, ami a távcsőben látott kép minőségének romlásához vezet. Mindkét típusú hiba fokozottan jelentkezik nagyobb fényerő esetén. Kis fényerejű lencsék színi és gömbi hibája is kisebb, de nem szünik meg teljesen.

Az egyszerű egytagú lencse természetéből adódó hibák kiküszöbölésére több megoldás született az idők folyamán.Az ún. akromatikus lencsék alkalmazásával a színi hibát jelentősen vissza lehet szorítani. Az akromatikus refraktorok összetett objektíveket alkalmaznak.Az objektív két tagból áll: a külső tag általában koronaüveg, míg a belső flint üveg. A két különböző üvegtípus eltérő mértékben töri meg a fényt aminek eredményeképpen a különböző hullámhosszúságú fénysugarak egy közös fókuszpontban találkoznak. A kromatikus aberrációt ez az objektív típus azonban nem képes teljesen nullára csökkenteni, bár nagy mértékben leredukálja.A távcső apertúrájától és fényerejétől függő mértékben a "színezés" jelen van az akromatikus távcsövekben is. A nagyobb fényerejű távcsövek esetén a színi hiba mértéke is nagyobb lesz, főleg nagyobb nagyítások mellett.Kisebb fényerő mellett (f/15 környékén)a színi hiba szinte a látható mérték alá csökken. Hátrány viszont, hogy a távcsőtubus kényelmetlenül hosszúvá válik az ilyen kis fényerejű műszerek esetében. Az akromatikus refraktorok apertúrája általában 5-15-cm közötti, fényerejük leggyakrabban f/10 - f/15 közötti. A kisebb átmérőjűek könnyű, könnyen hordozható műszerek. Az akromatikus refraktorok általában jó mínőségű, éles, kontrasztos képet adnak, közkedvelt amatőr műszernek számítanak.

Tükrös-távcsövek

Az amatőrcsillagászok által használt távcsövcsövek egyik igen elterjedt típusa a tükrös távcső, vagy reflektor. A reflektorok képalkotása, mint ahogy nevük is sejteti, tükrök általi fényvisszaverődésen alapul. Erre a célra nagyon precízen csiszolt és tükröző réteggel bevont üvegkorongokat használnak. A refraktoroktól eltérően az objektív nem a távcső elején elhelyezkedő lencse, hanem a távcsőtubus végében található tükör. Ennek főtükör a neve. A főtükörről visszavert fénysugarakat egy másik, kisebb, a távcső elejében található tükör, a segédtükör fogja fel, majd innen a fényt az okulár felé tereli, ahol a megfigyelő a kialakult képet szemlélheti. A tükrös távcsöveknek is több típusát alakítottak ki a távcső története folyamán. Az optikai elv minden esetben azonos, az eltérések a fő- és segédtükör felületének alakjában, illetve ezek egymáshoz viszonyított helyzetében mutatkoznak.

A Newton reflektorok a legelterjedtebb, legkedveltebb amatőr távcsövek közé tartoznak. Az elrendezést Isaac Newton fizikus alakította ki 1672-ben. A Newton reflektorok főtükre egy igen pontos paraboloid felületre megmunkált tükör. A róla visszaverődő fénysugarak a fókuszpontban egyesülnek. Itt helyezkedik el, a 45 fokos szögben megdöntött, sík felületű segédtükör, ami a fénysugarakat derékszögben eltéríti, és a távcsőtubus falán lévő nyiláson át az okulárhoz irányítja. Ez az elrendezés általában kényelmes betekintést tesz lehetővé. A Newton reflektorok fényereje legtöbbször f/4 és f/10 közötti, apertúrájuk 10 cm-től az amatőr viszonylatban már óriásnak számító 50-70 cm-t is elérheti. Míg a kisebb, 10-15 cm-es Newton reflektorok viszonylag könnyen hordozható műszerek (főleg nagyobb fényerő esetén, hiszen akkor kisebb a tubushossz), addig a nagyobb, 20 cm feletti távcsövek már meglehetősen súlyosak, nehézkesek tudnak lenni. Nem véletlen, hogy az igazán nagy Newton reflektorokat szinte kizárolag a könnyű, egyszerű Dobson típusú mechanikára helyezik fel. Jó mínőségű optikák esetén a kisebb fényerejű (f/8 - f/10) reflektorok leképezése nagyon jó, nem igen marad el egy hasonló átmérőjű refraktor mögött. Nagyobb fényerőnél (f/6 és nagyobb) azonban ritkábban lehet igazán jó mínőségű leképzést elérni. Egyrészt a nagy fényerejű tükröket sokkal nehezebb a kellő precízséggel megmunkálni, másrészt a főtükörről szélesebb szögben érkező fénysugarak befogásához nagy méretű segédtükörre van szükség, ami a távcsőben látott kép kontrasztosságának csökkenéséhez vezet, és egy kevés fényveszteség is történik. Ráadásul a nagyobb fényerejű reflektorok a jusztírozás pontatlanságaira is érzékenyebben reagálnak. Bár a Newton reflektorok, mint valamennyi tükrös rendszer, mentes a kromatikus aberrációtól, azoban egyéb optikai hibák ebben az elrendezésben is mutatkozhatnak. A tükör pontatlan csiszolása szférikus abberációhoz, illetve asztigmatizmushoz vezethet. Tipikus reflektorok hiba az ún. kóma, amikor a látómező szélén lévő csillagok képe nem pontszerű, hanem kissé elkenődött, egy kis üstököshöz hasonló. A fényerő növekedésével a kóma hiba is hatványozottan jelentkezik. Azonban megfelelő mínőség esetén ezen hibák a türéshatáron belül tarthatók és még a nagy fényerejű Newton-reflektorok is jó képalkotásra képesek.

Cassegrain-reflektorok

A francia szobrász, Sieur Cassegrain fejlesztette ki a tükrös távcsövek ezen típusát nagyjából abban az időben amikor Newton is megalkotta a maga elrendezését.

Bár az amatőrcsillagász körökben messze nem olyan elterjedtek, mint a Newton-reflektorok, mégis rendelkeznek olyan előnyös tulajdonságokkal amelyek miatt rájuk eshet a választás. A legnagyobb erényük talán a hosszú fókuszú megvalósítása rövid tubusban. A hosszú effektív fókusztávolság nem a főtükörnek köszönhető (ami paraboloid felületű, mint a Newton reflektorok esetében), mert annak fényereje általában f/4 körül van. A Cassegrain távcsövek segédtükre az ami felelős a hosszú fókusz kialakításáért. A főtükörről visszaverődő fénysugarakat egy domború, hiberboloid felületűre megcsiszolt segédtükör nyújtja meg és a főtükör furatán (a főtükör közepén lévő lyuk) keresztül az amögött elhelyezkedő okulárhoz irányítja. A Cassegrain távcsövek fényereje f/10 - f/15 körüli. A kompakt tubus adta előny mellett sajnos gyenge pontjai is vannak ennek a típusnak. A főtükör nagy fényereje miatt a segédtükörnek kellően nagy méretűnek kell lennie és közel kell lennie a főtükörhöz ahhoz, hogy a róla érekező meredek fénykúpot teljesen be tudja fogni. Ezt a kép mínősége szenvedi meg. A nagy központi kitakarás (30%-40%-a a főtükör átmérőjének)miatt általában a távcsöveben látott kép kevésbbé lesz kontrasztos, valamint fényveszteséggel is számolni kell, vagyis a távcső határmagnitudója elmarad attól amit az aperturája alapján elvárhatnánk.A Cassegrain elrendezés a jusztírozas pontatlanságaira is nagyon érzékeny. Akárcsak a Newton távcsöveknél, itt is jelentkezik a kóma hiba. A nagy fényerejű főtükör pontos, precíz kialakítása nem könnyű feladat, így nem csoda ha az igazán jó mínőségű Cassegrain reflektorok drága műszerek.

A XX. század első felében született meg egy hibrid távcsőtípus, az ún. katadioptrikus távcső, mely a refraktorok és a reflektorok tulajdonságait egyesíti magában. A katadioptrikus távcsövek objektíve, hasonlóan a reflektorokhoz, egy homorú tükör. Azonban különbség, hogy ezen távcsövekben a főtükröt nem paraboloid, hanem szférikus, azaz gömb felületűre csiszolják. A szférikus tükrök előnye, hogy könnyebb nagy pontoságban előállítani őket, viszont komoly hátrányuk, hogy az ilyen tükrök ún. szférikus abberációt mutatnak. Ennek korrigálására a katadioptrikus távcsövekben a főtükör elé olyan optikai elemet (korrekciós tag) helyeznek, ami megszünteti a főtükör által keltett hibát. 

    Az első katadioptrikus rendszert a német csillagász, Bernhard Schmidt tervezte 1930-ban. A Schmidt távcsőbe belépő fény először egy korrektor lemezen halad keresztül, mielőtt eléri a gömb felületű főtükröt. A korrektor feladata, hogy a szférikus főtükör leképzési hibáját, a szférikus abberációt kiküszöbölje. A Schmidt távcsöveket vizuális megfigyelésekre nem használatosak, a profi obszervatóriumokban használják őket fotografikus, CCD-s munkákhoz. 

    Az amatőrcsillagászok körében a katadioptrikus rendszerek két fajtája terjedt el: a Makszutov-Cassegrain, és a fiatalabb Schmidt-Cassegrain távcsövek.