Hubble-Teleskop
Hubble-Teleskop, Image by NASA, shared on Unsplash

Mit einem Teleskop bezeichnet man ein optisches Instrument, das entfernte Gegenstände um ein Vielfaches vergrössert. Mit Hilfe von Linsen und/oder Spiegeln erreicht man eine Vergrösserung des Sehwinkels.

Funktionsweise

Teleskop
Teleskop: Das Objektiv erzeugt ein reelles Bild vor dem Okular. Der Betrachter sieht sich dieses Bild mit dem Lupeneffekt an, so dass das Objekt stark vergrössert gesehen wird.

Weit entfernte Objekte, z.B. Sterne, haben quasi-parallele Strahlen. Nach der Sammellinse des Objektivs treffen die Lichtstrahlen in der Brennweite zu einem Bildpunkt zusammen, d.h. wir erhalten ein reelles Zwischenbild. Der Bildpunkt liegt nicht genau auf dem Brennpunkt, da das betrachtete Objekt z.B. oberhalb der optischen Achse liegt. Dadurch liegt der Bildpunkt, wie beim umgekehrten Bild, auf der anderen Seite der optischen Achse.

Das reelle Zwischenbild kann wieder wie ein Gegenstand mit einem Okular betrachtet werden. Wie bei einer Lupe wird dieses Zwischenbild näher an die Sammellinse des Okulars positioniert, als deren Brennpunkt. Es entsteht durch den Lupeneffekt ein gleich gerichtetes, virtuelles Bild, das aber vergrössert ist. Der Betrachter sieht dieses Bild. Es steht zwar gegenüber dem ursprünglichen Objekt “auf dem Kopf”, was bei astronomischen Beobachtungen aber nicht darauf ankommt. Für andere Anwendungen wird das Bild mit Hilfe von Umkehrprismen nochmals umgekehrt.

Die ersten Fernrohre wurden anfangs des 17. Jahrhunderts entwickelt. Galileo Galilei entwickelte das vom niederländischen Brillenmacher Hans Lipperhey erfundene Teleskop weiter (Galilei-Fernrohr). Als Okular besass es eine Streulinse. Die hier gezeigt Bauweise mit zwei Sammellinsen wird auch als Kepler-Fernrohr bezeichnet.

Newton-Teleskop (Spiegelteleskop)

Prinzip des Newton-Teleskops
Prinzip des Newton-Teleskops: Die Sammellinse des Objektivs wurde durch einen Hohlspiegel (rechts) ersetzt.

Beim Spiegelteleskop wird die Sammellinse des Objektivs durch einen Hohlspiegel mit gleicher Brennweite ersetzt. Der Strahlenverlauf ist gleich, abgesehen davon, dass die Strahlen wieder zurück reflektiert werden. Hier wird auch die Tatsache ausgenutzt, dass sich Wellen und damit auch Lichtstrahlen sich gegenseitig nicht stören, wenn sie sich kreuzen.

Mit einem kleinen Flachspiegel wird der bereits etwas konzentrierte Strahlenbündel um 90° umgelenkt und zum Okular geführt, das an der Seite angebracht ist. Dieser Flachspiegel steht den einkommenden Strahlen eigentlich im Weg und trotzdem sieht man keinen Schatten von ihm. Man kann sich das so erklären: Die Lichtstrahlen treffen ziemlich parallel ein. Durch den Flachspiegel werden tatsächlich viele Strahlen absorbiert. Die restlichen Strahlen sind aber in der Mehrheit und beinhalten die Bildinformation, die schliesslich zu einem reellen Zwischenbild wieder zusammengesetzt werden. Statt 100% der Lichtstrahlen kommen nun vielleicht 90% zusammen, aber das Bild ist vollständig und nicht etwa mit einem Schatten versehen.

Der Vorteil des Hohlspiegels liegt darin, dass er die Lichtstrahlen wie eine Sammellinse fokussiert, jedoch nicht mit dem Prinzip der Brechung, sondern mit Reflexion. Sammellinsen haben das Problem, dass Lichtstrahlen unterschiedlicher Frequenz bzw. Wellenlänge (Farbe) unterschiedliche Brechungsindizes haben und somit unterschiedlich stark brechen. Die beiden Extrema wären rot und blau/violett. Da der Brennpunkt für beide Farben nicht gleich ist, wären auch deren Bildpunkte nicht übereinander, so dass ein weisses Objekt (z.B. ein Stern) in seine Regenbogenfarben aufgeteilt und verschmiert würde. Man nennt diese farblichen Ungenauigkeiten der Linsen chromatische Aberrationen. Hohlspiegel haben keine chromatischen Aberrationen.

Newtons Teleskop (Nachbildung)
Newtons Teleskop (Nachbildung). Der Benutzer schaut in das kleine schwarze Okular an der Seite, Image by Andrew Dunn, licensed under CC BY-SA 2.0