Fernrohr

Das 1.Fernrohr (Holländisches oder Galileiisches Fernrohr) wurde 1609 vom  Holländer  Hans Lippershey erfunden.

Von  Galileo Galilei wurde es weiterentwickelt.  

1611 baut Johannes Kepler das astronomische Fernrohr. 

Fernrohr
Fernrohr

Grundlagen

Lichtbrechung

Lichtbrechung = Lichtstrahlen werden beim Übergang von einem Medium ( z. B. Luft)  in ein anderes Medium (z. B. Glas) gebrochen.  

Entscheidend ist, ob es sich um ein optisch dünneres oder optisch dichteres Medium handelt. Beim Übergang von einem dünneren in ein dichteres Medium wird der Strahl zum Einfallslot hin gebrochen.    

Je stärker der Unterschied der beiden Medien ist umso stärker ist die Lichtbrechung und die Brechung ist umso stärker, je größer der Einfallswinkel ist.

Ist der Einfallswinkel aber 0 so tritt die  Totalreflexion ein, das heißt  der Brechungswinkel ist 0.  

? wie ist das Medium im Raum ausgerichtet ?

Der Grad der Lichtbrechung wird auch als Brechungsindices bezeichnet.

Lichtbrechung
Lichtbrechung

Das Brechungsgesetz 

Brechungsgesetz
Brechungsgesetz

Das Brechungsgesetz beschreibt die Abhängigkeit und das Verhältnis der Winkel a und ß  von den Brechungsindices n1 und n2.      

Beispiele für verschiedene Materialien

Material - MediumBrechungsindices „ n“
Vakuum1,000
Luft1,0003
Wasser1,333
Kohlendioxid1,0045
Glas1,5 -1,9
Diamant2,417
Lichtbrechung Diamant
Lichtbrechung Diamant

Lichtbrechung durch eine Scheibe

Lichtbrechung durch Scheibe
Lichtbrechung durch Scheibe


Bei einer Lichtbrechung durch eine Scheibe wird der Lichtstrahl erst einmal zur Achse hingebrochen und dann von ihr weggebrochen. Als Ergebnis erhalten wir eine  Parallelverschiebung.




Lichtbrechung bei einem Prisma

Lichtbrechung bei Prisma
Lichtbrechung bei Prisma

 

Bei der  Lichtbrechung durch ein Prisma wird der Lichtstrahl ebenfalls zur Achse hin gebrochen aber auf Grund der Oberflächenausrichtung ergibt sich diese Brechung 2 mal in die gleiche Richtung.

Das Phänomen der Lichtbrechung wurde wahrscheinlich beim Wassertropfen entdeckt.

Wassertropfen Lichtbrechung
Wassertropfen Lichtbrechung

Claudius Ptolemäus (etwa 85-160 n. Chr.) untersuchte die Lichtbrechung  mit Glaskugeln, die mit Wasser gefüllt waren. Diese mit Wasser gefüllten Glaskugeln waren der Vorläufer der aus massiven Glas bestehenden Linse.

Linsen  

Die ersten Linsen wurden als Brillengläser  zur Korrektur von Fehlsichtigkeit verwendet.  

Die Form von Linsen ist meist sphärisch ( sphaira – griechisch = Ball) ,das Ende der Flächen sind Kugelflächen

Die 1 Linsen waren aus Glas später kamen Kunststoffe und Kristalle dazu.  

Die Brennweite ist die wichtigste Leistungsangabe einer Linse. Die Brennweite definiert den Abstand  der Linsen zum Brennpunkt (siehe Bilder).                  

Die Linsen bestehen aus 2 lichtbrechenden Flächen.Mindestens eine der Flächen ist konvex (nach außen gewölbt ) oder konkav (einwärts )gewölbt.               

Linsenformen

Linsenformen
Linsenformen

Die Lichtbrechung bei Linsen  

Wenn bei Bikonfexlinsen ( Sammellinsen)  der Lichtstrahl parallel eintrifft, werden die äußeren Strahlen zum Einfallslot hin gebrochen. Die Strahlen treffen sich beim Brennpunkt (gelber Kreis). Der Abstand zwischen Brennpunkt und Linsenmitte wird als Brennweite bezeichnet. Die Bezeichnung Sammellinse ist auf die Sammlung der Lichtstrahlen beim Brennpunkt hinter der Brechung durch die Linse zurückzuführen.

Sammellinse Lichtbrechung
Sammellinse Lichtbrechung

Die 2 Möglichkeit der Brechung der Lichtstrahlen bei einer Sammellinse ist die Umkehrung einer vorherigen Brechung. Der Ausgangspunkt der Strahlen ist ein Brennpunkt und die Strahlen entfernen sich voneinander. Durch die Linse werden sie so gebrochen, das sie am Ende parallel verlaufen.

Sammellinse Lichtbrechung 2
Sammellinse Lichtbrechung 2

Wenn bei  bikonkaven (Zerstreuungslinse) Linsen die Lichtstrahlen parallel eintreffen werden sie weggebrochen .Die Verlängerung der weggebrochenen Strahlen bildet ein scheinbaren Brennpunkt (gelber Kreis). Die Bezeichnung Zerstreuungslinse  ist auf das Zerstreuen  der Lichtstrahlen durch die Linse  zurückzuführen.

Zerstreungslinse Lichtbrechung
Zerstreungslinse Lichtbrechung

Einteilung Fernrohr

Die ersten Fernrohre bestanden aus 2 Linsen. Man geht davon aus, das das Fernrohr durch die  zufällige Betrachtung der Lichtbrechung von 2 Linsen erfunden worden ist.          

1 Linse = Objektiv erzeugt ein reelles Zwichenbild  

2 Linse  = Okular wirkt wie eine Lupe und vergrößert das reelle Zwichenbild vom Objektiv    

Später wurden Fernrohre  auch mit Spiegeln und Prismen ausgestattet.  

Das Keplersche oder astronomische Fernrohr

Johannes Kepler (1571-1630) erfand das Keplersche Fernrohr. Wie der Name schon verrät, wurde es für astronomische Beobachtungen genutzt. Das Fernrohr besteht aus 2 Sammellinsen. Durch die Lichtbrechung der beiden Sammellinsen sieht man alles Kopfstehend (siehe Bild).

Das Holländische oder Galileiische Fernrohr  

Das holländische oder Galileiische Fernrohr wurde von einem holländischen Brillenmacher entwickelt und von Galilei weiterentwickelt. Auch dieses besteht aus zwei Linsen, wobei aber das Okular eine Zerstreuungslinse ist, wodurch das Bild aufrecht und seitenrichtig erscheint (siehe Bild). .

Das Zugfernrohr

Das Zugfernrohr besteht im Gegensatz zum Keplerschen Fernrohr nicht aus 2 Sammellinsen sondern aus 3. Durch die 3 Linse erreicht man ein nicht Kopfstehendes Bild. Die 3. Linse dreht das Bild noch mal um (siehe Bild). Namensgebend für das Zugfernrohr war die Verschiebefunktion (auseinander und zusammenschieben )zum Einstellen der Schärfe.

Umkehrprismen

Bestehen aus mindestens 2 optischen Bauteilen (Gläser). In Fernrohren sind sie für die Aufrichtung des verkehrten Bildes (auf dem Kopf stehend und spiegelverkehrt) zuständig. Bsp. Kepler- bzw. astronomisches Fernrohr.

Eines der bekanntesten Umkehrprismen ist das Poroprisma. Den Namen hat es von seinem Erfinder Ignazio Porro (erfunden ca.1854). Daher kommt auch der Name Porroprismenfernglas.

Porroprismenpaar
Porroprismenpaar

Feldstecher – Prismenfernglas

Feldstecher1
Feldstecher2

Aufbau Feldstecher

Das Prismenfernglas besteht aus 2 parallel zu einander aufgebauten Fernrohren, die miteinander verbunden sind.

Die Verbindung, der beiden Ferngläser besteht aus einem Gelenk, womit der Abstand der Ferngläser zueinander eingestellt werden kann.

Somit kann der Abstand der Ferngläser, an den individuellen Augenabstand des Betrachters angepasst werden.

Der Aufbau der beiden Ferngläser ist identisch aber seitenverkehrt.

Feldstecher Aufbau1
Feldstecher Aufbau2
Feldstecher Mechanik

Im Inneren befindet sich

1 . Objektiv

Das Objektiv besteht aus mindestens 2 Linsen die zu dem zu beobachtenden Objekt zugewandt sind. Durch die Bündelung des Lichtes erzeugt es die Abbildung des Motivs.

2.Prismensystem

Das Prismensystem befindet sich in der Mitte. Das Prismensystem ist für die Umkehrung der seitenverkehrten Darstellung (siehe Bild Strahlengang) zuständig. Aufgrund dieser Funktion wird es auch als Umkehrsystem bezeichnet. Das Prismensystem besteht aus mindestens 2 Glaskörpern.

3.Okular

Das Okular sind die Linsen, die dem Auge des Betrachters zugewandt sind. Ein Okular besteht aus 3 - 6 Linsen. Mit dem Okular sieht das Auge das von dem Prismensystem aufgerichtete Bild.

Strahlengang
Strahlengang

Fokussierung und Defokussierung

Die Einstellung der Bildschärfe nennt man Fokussierung. Die Fokussierung ist die Anpassung des Fernglases an die Entfernung des Motivs.

Wenn die Strahlen aus dem Okular parallel austreten, ist das Bild „scharf“(fokussiert).

defokussiert
defokussiert
fokussiert
fokussiert
Mechanik Fokussierung

 

Die Fokussierung wird mit einer speziellen Mechanik erreicht, die Objektiv, Prismensystem und Okular beeinflussen.

Arten und Bauformen für die Fokussierung

  1. Verschiebung des Objektivs – teilweise oder im Ganzen
  2. Verschiebung des Prismensystems (Porro-Prismenfernglas)
  3. Verschiebung des Okulars – teilweise oder im Ganzen (siehe Bilder)


Feldstecher Mechanik 2
Feldstecher Mechanik 3
Feldstecher Mechanik 4

 

Video Feldstecher

 

Beispiel für verschiedene Prismensysteme

a) Porro – Prismensystem

  • 2 Prismen sind rechtwinklig versetzt zueinander positioniert
  • Vorteil ist die kostengünstige Herstellung
  • auf Grund der Anordnung der Prismen ergibt sich bei den Ferngläsern eine breitere Bauform

b) Dachkantenprismensystem ( Schmidt-Pechan )

  • besteht in der Regel aus 2 Prismen
  • eins der Prismen hat die Form einer Dachkante
  • eine Reflexionsfläche ist mit einer metallischen Verspiegelung versehen (Silber)
  • die Anordnung der Prismen ermöglicht eine schlanke Bauform der Ferngläser
  • Nachteil höhere Herstellungskosten als bei Porro – Prismensystemen
Porroprismenpaar
Porroprismenpaar
Dachkantenprismenpaar
Dachkantenprismenpaar
Porroprismenpaar (3D)
Porroprismenpaar (3D)
Dachkantenprismenpaar (3D)
Dachkantenprismenpaar (3D)
Porroprismen-Fernglas
Porroprismen-Fernglas
Dachkantenprismen-Fernglas
Dachkantenprismen-Fernglas
Strahlengang Porroprismen-Fernglas
Strahlengang Porroprismen-Fernglas
Strahlengang Dachkantenprismen-Fernglas
Strahlengang Dachkantenprismen-Fernglas

 

Entwicklung von Hohlspiegeln

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Weiterentwicklungen im Nautikbereich

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