DALEKOHLEDY. Masarykova univerzita v Brně Lékařská fakulta

Transkript

1

2 Masarykova univerzita v Brně Lékařská fakulta DALEKOHLEDY OPTICKÝ PRINCIP, VÝVOJ, VYUŽITÍ V TECHNICKÉ A OPTOMETRICKÉ PRAXI, METODY POSOUZENÍ KVALITY VÝROBKU Bakalářská práce Vedoucí: Mgr. Jitka Bělíková Vypracovala: Alžběta Kyselová Obor: Optometrie Brno, 2012

3 Anotace: Tato bakalářská práce se zabývá tématem dalekohledů. V úvodní části jsou zmíněny základní zákony a některé pojmy z geometrické optiky, které souvisí se zobrazením pomocí dalekohledů. Dále je uvedeno vysvětlení optického principu dalekohledu a jeho základní skladba. V práci jsou také rozebrány vlastnosti dalekohledů. Samostatná kapitola se zabývá významnými historickými událostmi a osobami, které jsou s dalekohledy a jejich vývojem spojeny. Pozornost je věnována možnostem rozdělení dalekohledů a způsobům jejich využití, s tím, že využití dalekohledů v optometrické praxi je probráno podrobněji. Na konci práce nalezneme kapitolu pojednávající o možnostech kontroly kvality vyrobeného dalekohledového systému. Abstract: This thesis deals with telescopes. In the introduction part basic concepts related to the binoculars imaging and laws of geometrical optics are discussed. Also an explanation of the principle of telescope and its basic structure is included. The paper discusses the characteristics of telescopes. A separate chapter deals with important historical events and persons associated with the development of binoculars. A closer look is taken to the categorization of telescopes in respect to their use. The use of telescopes in optometric practice is discussed in more details. At the end of the work, a chapter dealing with the quality control applied during the production phase can be found. Klíčová slova: dalekohled, objektiv, okulár, převracející soustava, optické zobrazení, Keplerův dalekohled, Galileův dalekohled Key words: Binoculars, objective, eye piece, Porro prism, optical image, Kepler telescope, Galileo s telescope

4 Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci zpracovala samostatně a použila jen zdroje uvedené v seznamu literatury zapsané na konci bakalářské práce. Souhlasím, aby práce byla uložena v knihovně Lékařské fakulty Masarykovy univerzity v Brně a byla zpřístupněna studijním účelům... V Brně dne Alžběta Kyselová

5 Poděkování Ráda bych poděkovala Mgr. Jitce Bělíkové za odborné konzultace a za cenné rady a informace, které mi během realizace mé práce poskytla. Dále bych chtěla poděkovat své rodině za podporu, trpělivost a zázemí.

6 Obsah 1 Úvod Základní zákony a pojmy geometrické optiky Světlo a geometrická optika Optické prostředí a index lomu Disperze světla Zákony geometrické optiky Odraz a lom světla Odrazivost, propustnost a absorpce světla optickým prostředím Optické zobrazení Zobrazení zrcadly Zobrazení čočkami Chyby optického zobrazení Monochromatické chyby Vady při zobrazení osového svazku Vady při zobrazení mimoosového svazku Chromatické chyby Barevná vada polohy Barevná vada velikosti 18 3 Optický princip dalekohledu Objektiv Čočkové objektivy Zrcadlové objektivy Okulár Převracející soustavy Zrcadlové soustavy... 24

7 3.3.2 Hranoly Čočkové soustavy Vlastnosti dalekohledu Zvětšení a zorné pole dalekohledu Velikost a poloha vstupní a výstupní pupily Světelnost dalekohledu Rozlišovací mez Historie dalekohledů Dělení dalekohledů a jejich využití Refraktory Keplerův (hvězdářský) dalekohled Galileův (holandský, pozemní) dalekohled Reflektory Cassegrainův dalekohled Newtonův dalekohled Dalekohledy pro všeobecnou potřebu Turistické dalekohledy Divadelní kukátka Lovecké dalekohledy Astronomické dalekohledy Vyhlídkové dalekohledy Dalekohledy pro zvláštní účely Dalekohledy pozorovací Periskopy Záměrné soustavy Dálkoměry Koincidenční dálkoměry Stereoskopické dálkoměry.. 46

8 Dálkoměry pro geodetické účely Dalekohledy v optometrické praxi Dalekohled jako pomůcka pro zrakově postižené Dalekohledové brýle Galileova (holandského) typu Prizmatické dalekohledové lupové brýle Lupové brýle Turmon Dalekohled jako součást přístrojů v optometrii a konaktologii Fokometr Optorefraktor dle Reinera Oční refraktometr Prizmatický refraktometr Koincidenční refratometr Oftalmometr Metody posouzení kvality výrobku Odolnostní zkušebna Interferometrická laboratoř Interference světla a její využití při kontrole rovinných a kulových ploch Spektrální laboratoř Spektrofotometr Vývoj zkušebních metod 66 9 Závěr Seznam vyobrazení Seznam použitých zkratek Seznam použité literatury.. 71

9 1 Úvod Cílem bakalářské práce Dalekohledy- optický princip, vývoj, využití v technické a optometrické praxi, metody posouzení kvality je uvedení a setřídění základních poznatků o dalekohledových systémech. Úvodní část je věnována některým principům a zákonům geometrické optiky, jejichž znalost je nezbytná pro pochopení dále řešené problematiky. Následující kapitoly se již plně zabývají tématem dalekohledů, objasňují optický princip těchto přístrojů a uvádí základní skladbu dalekohledů, popisují tedy součásti jako je objektiv, okulár a převracející soustava. Vlastnosti dalekohledů, mezi které patří zvětšení, zorné pole, světelnost, velikost vstupní a výstupní pupily a rozlišovací mez dalekohledu, jsou popsány ve čtvrté kapitole. Dále jsou uvedeny významné historické události a osobnosti spojené s vývojem dalekohledů. Práce také přibližuje některé aspekty dělení dalekohledů ( dělení podle stavby, podle použití, ) a uvádí se v ní možnosti využití tohoto přístroje. Samostatná kapitola pojednává o využití dalekohledů v optometrické praxi, kam je zařazeno použití dalekohledu jako pomůcky pro zrakově postižené a dále jsou v ní uvedeny přístroje obsahující dalekohledový systém, se kterými se můžeme setkat v optometrii nebo kontaktologii. Na závěr je věnována pozornost metodám posouzení kvality výrobku, mezi které patří zkoušky odolnostní a testování kvality optického zobrazení, kam jsou zahrnuty interferometrické a spektrofotometrické metody

10 2 Základní zákony a pojmy geometrické optiky 2.1 Světlo a geometrická optika Světlo je elektromagnetické vlnění o vlnové délce 380 nm až 780 nm, které po dopadu na sítnici vyvolá fyziologický vjem vidění. Část fyziky, která se zabývá studiem šíření elektromagnetického vlnění a jeho interakcí s látkou, se nazývá optika. Tu můžeme dále dělit na optiku fyzikální, geometrickou nebo kvantovou. Fyzikální optika vysvětluje jevy v souvislosti s vlnovými vlastnostmi světla, geometrická optika se zabývá optickým zobrazením (nepřihlíží na vlnové vlastnosti) a kvantová optika objasňuje jevy s uplatněním kvantových vlastností světla. Kromě tohoto rozdělení se můžeme setkávat s dalšími oblastmi optiky, například laserovou optikou (optika nelineární, optika velkých světelných intenzit). Geometrická optika vysvětluje šíření světla pomocí světelných paprsků, což jsou normály k vlnoplochám, a za použití geometrie. Geometrická nebo také paprsková optika se používá v přístrojové a brýlové optice. Zde se vzhledem k rozměrům optických prvků téměř neprojevují vlnové ani kvantové vlastnosti světla [10]. 2.2 Optické prostředí a index lomu Světlo se šíří v optickém prostředí, jehož charakteristikou je index lomu. Je to bezrozměrná veličina, která je vztažena k dané vlnové. Index lomu je absolutní a relativní. Absolutní index lomu odpovídá poměru rychlosti světla ve vakuu a rychlosti světla určité vlnové délky v daném prostředí. Relativní index lomu je poměr absolutních indexů lomů dvou prostředí. V praxi se pak častěji setkáváme s tím, že se používá index lomu vztažený ke vzduchu a relativní index lomu je pak poměr rychlosti světla ve vzduchu k rychlosti světla v daném prostředí. Podle toho jak se index lomu mění v prostředí, můžeme rozlišit optické prostředí homogenní, izotropní a anizotropní. Pokud je index lomu ve všech místech prostředí stejný, mluvíme o prostředí stejnorodém, homogenním. V izotropním prostředí je index lomu stejný nezávisle na směru, kterým se světlo šíří. V anizotropním prostředí index lomu závisí na směru šíření světla. Světelné paprsky jsou v homogenním prostředí přímkami a v prostředí nehomogenním mohou být zakřiveny. Optické materiály (např. hranoly, čočky, ) bývají z homogenních a izotropních látek [1,10]

11 2.2.1 Disperze světla Disperze světla je způsobena tím, že absolutní index lomu určité látky nebo optického prostředí se liší pro světlo různých vlnových délek. Pokud se index lomu s rostoucí vlnovou délkou zmenšuje, mluvíme o normální disperzi. Disperzi světla můžeme pozorovat při dopadu bílého světla na hranol. Světlo se hranolem rozkládá a jednotlivé barvy se lámou pod různým úhlem, z čehož můžeme odvodit vztah mezi indexem lomu materiálu použitého hranolu a vlnovou délkou dopadajícího světla. Platí, že vlnová délka červené barvy je větší než vlnová délka barvy fialové a index lomu pro červenou barvu je menší než pro barvu fialovou. Fialové světlo se tedy láme nejvíc a červené nejméně [10]. Obr. 2.1 Disperze bílého světla na hranolu [34] Bílé sluneční světlo má oslabené některé monochromatické složky v důsledku absorpce světla plynným obalem Slunce a atmosférou Země, což se projeví ve spojitém spektru jako tmavé čáry, tzv. Fraunhoferovy čáry. Tyto čáry svou polohou odpovídají určitým vlnovým délkám, a proto se v optice používají na vyjádření disperzní schopnosti optických skel. Existuje Abbeovo číslo, které udává disperzní mohutnost prostředí v oblasti viditelného světla a čím menší je jeho hodnota, tím větší je disperze materiálu. Abbeovo číslo je dáno vztahem ν = n n F 1 n D C kde n D, n F a n C jsou indexy lomu daného materiálu na vlnových délkách odpovídajících Fraunhoferovým čarám D, F a C (tj. 589,2 nm, 486,1 nm a 656,3 nm). Hodnoty Abbeova čísla se pohybují pro různé materiály v rozmezí od 20 do 96. Korunová skla mají hodnotu

12 Abbeova čísla větší než 50 a menší disperzi a skla flintová naopak disperzi větší a Abbeovo číslo menší než 50 [29]. 2.3 Zákony geometrické optiky V geometrické optice platí čtyři hlavní zákony: o přímočarém šíření světla, o vzájemné nezávislosti světelných paprsků, o záměnnosti chodu světelných paprsků a zákon lomu a odrazu. Zákon o přímočarém šíření světla říká, že v homogenním prostředí a ve vakuu se světlo šíří přímočaře ve formě vlnoploch. Zákon o vzájemné nezávislosti světelných paprsků znamená, že každým bodem prostoru může procházet libovolný počet paprsků, které se vzájemně neovlivňují. Zákon o záměnnosti chodu paprsků vysvětluje, že pokud se změní směr chodu paprsku na opačný, bude se paprsek vracet stejnou cestou, kterou procházel původně. 2.4 Odraz a lom světla Při šíření světla na rozhraní dvou optických prostředí, kdy se část světla odráží a část se láme, platí zákon odrazu a zákon lomu. Úhel, který svírá dopadající paprsek s kolmicí sestrojenou v bodě dopadu k rozhraní (kolmicí dopadu), je úhel dopadu. Rovina určená paprskem dopadajícím a kolmicí dopadu je rovina dopadu a úhel, který svírá s kolmicí dopadu paprsek lomený resp. odražený, je úhel lomu resp. odrazu. Zákon odrazu říká, že paprsek, který se odráží, zůstává v rovině dopadu a úhel dopadu se rovná úhlu odrazu [3,10]. Zákon lomu (Snellenův zákon) říká, že poměr sinů úhlu dopadu a úhlu lomu je roven převrácenému poměru indexů lomu prostředí. Tento zákon objevil holandský fyzik a astronom Willebrord Snellius ( ) a do dnešní podoby upravil René Descartes ( ). Při přechodu paprsku z prostředí opticky hustšího do řidšího dojde k lomu od kolmice a naopak při průchodu z opticky řidšího prostředí do opticky hustšího se láme paprsek ke kolmici. Existuje mezní neboli kritický úhel dopadu, kdy úhel lomu je 90. Pokud je úhel dopadu větší než úhel mezní, nastává úplný odraz (totální reflexe)

13 Pozn: n 1, n 2 index lomu prostředí ε 1, ε 1 úhel dopadu, úhel odrazu ε m, ε mezní úhel dopadu, úhel lomu Obr. 2.2 Úplný odraz světla [10, str.22 ] 2.5 Odrazivost, propustnost a absorpce světla optickým prostředím Při dopadu světla na rozhraní dochází kromě lomu světla i k odrazu. Podíl intenzity odraženého světla a světla dopadajícího se nazývá odrazivost (činitel odrazivosti) R. Podíl intenzity světla materiálem propuštěného a intenzity světla dopadajícího je označován jako propustnost T. Při přechodu světla optickým prostředím dochází k jeho ztrátám absorpcí. Optické prostředí je tedy charakterizované také činitelem absorpce A, což je množství světla pohlcené prostředím při průchod přes určitou tloušťku prostředí. Ze zákona zachování energie vyplývá, že součet odrazivosti, propustnosti a absorpce je roven jedné [3,10]. 2.6 Optické zobrazení Cílem optického zobrazení je vytvořit obraz předmětu na jiném místě, a to ve stejné nebo změněné velikosti. [10, str.38] Při optickém zobrazení se vkládají mezi pozorovaný předmět a oko optické prvky (např. zrcadlo, hranol, čočka,..), které mění chod paprsků a to odrazem, lomem, nebo obojím způsobem. Soubor optických rozhraní tvořených optickými prvky se nazývá optická soustava. Pokud bychom opomenuli chyby optického zobrazení, vznikne optický obraz všude, kde dojde k protnutí alespoň dvou paprsků, které vychází ze stejného předmětového bodu. Obraz může vznikat reálný (skutečný) nebo virtuální (neskutečný). Obraz skutečný znamená, že se paprsky po průchodu optickou soustavou setkaly 13

14 v obrazovém bodě, zatímco obraz neskutečný vzniká, pokud jsou paprsky po průchodu optickou soustavou rozbíhavé, neprotnou se v jednom bodě, který můžeme získat pouze prodloužením rozbíhavých paprsků v opačném směru k jejich chodu. Obraz dále můžeme hodnotit jako přímý, pokud se nachází ve stejné poloze jako předmět, pokud je otočený o 180 stupňů označujeme ho jako převrácený. Podle velikosti vzhledem k předmětu je obraz zmenšený, zvětšený nebo stejně velký [3,10]. Kromě uvedených lámavých nebo odrazných ploch je optická soustava tvořena optickou osou, na které leží středy křivosti všech ploch (u centrované soustavy) Zobrazení zrcadly Rovinné zrcadlo vytváří obraz přímý, zdánlivý a stejné velikosti jako předmět. Zrcadlo konkávní (duté) vytváří obraz přímý, zdánlivý a zmenšený. U zrcadla konvexního (vypuklého) záleží na vzdálenosti předmětu od ohniska a vrcholu zrcadla. Pokud zobrazujeme předmět umístěný mezi ohniskem a vrcholem zrcadla, vznikne obraz přímý a virtuální, předmět umístěný dále od ohniska se naopak zobrazí jako obraz převrácený a reálný. Velikost vzniklého obrazu může být v závislosti na poloze zobrazovaného předmětu stejně velká, zmenšená nebo zvětšená Zobrazení čočkami Optické izotropní prostředí, které je ohraničeno dvěma kulovými plochami (nebo jednou kulovou a jednou rovinnou) se nazývá čočka (sférická čočka). Čočky omezené nekulovými plochami (např. částí válce, elipsoidu, ) se nazývají asférické čočky. Čočka má jiný index lomu než její okolí. Vzniklý obraz při zobrazení čočkou záleží na typu čočky (spojná, rozptylná) a na poloze předmětu vůči čočce. Rozptylná čočka vytváří obraz přímý, zdánlivý a zmenšený. U čočky spojné se předmět umístěný ve větší vzdálenosti od čočky než je předmětové ohnisko zobrazí jako obraz převrácený a skutečný, ve vzdálenosti kratší jako přímý a reálný. Velikost vzniklého obrazu může být podle polohy zobrazovaného předmětu (obdobně jako u konvexních zrcadel) stejně velká, zmenšená nebo zvětšená [1,3]. 2.7 Chyby optického zobrazení Při zobrazování reálnou optickou soustavou dochází k chybám zobrazení neboli aberacím. Vady optického zobrazení můžeme rozdělit na vady chromatické (barevné) 14

15 a monochromatické. Vady monochromatické, které vznikají při zobrazování světlem jedné vlnové délky, lze dále dělit na chyby při zobrazování osového bodu a mimoosového bodu Monochromatické chyby Vady při zobrazení osového bodu Otvorová (sférická) vada Při zobrazování bodu ležícího na optické ose širokým svazkem paprsků vzniká otvorová vada. Tato vada se projevuje rozmazáním obrazového bodu. Paprsky procházející vnější prstencovou zónou čočky (s větší dopadovou výškou h) se lámou po průchodu čočkou více (bod X ) než paprsky paraxiální (bod X 0). Pro spojné čočky je otvorová vada záporná (X se nachází vlevo od X 0 a x je záporné), u rozptylných čoček je sférická vada kladná (X se nachází vpravo od X 0 a x je kladné). Otvorová vada závisí také na poloze předmětu, indexu lomu čočky, tvaru a tloušťce čočky. Sférickou vadu lze omezit vhodnou kombinací spojné a rozptylné čočky, nelze ji však odstranit zcela, proto se v praxi koriguje alespoň pro okrajové paprsky. Obr. 2.3 Otvorová vada spojné čočky [10, str. 96] Vady při zobrazení mimoosového bodu Při zobrazení předmětového bodu, který leží mimo optickou osu, vznikají vady optického zobrazení, mezi které patří zkreslení (při zobrazování jedním paprskem), astigmatizmus a zklenutí (při zobrazování úzkým svazkem paprsků) a koma (při zobrazení širokým svazkem paprsků). 15

16 Zkreslení (distorze) Paprsek vycházející z bodu Y prochází optickou soustavou a zobrazí se do bodu Y, který se neshoduje s ideálním obrazovým bodem Y 0. ( Y se od Y 0 nachází ve vzdálenosti y = y y 0). y představuje odchylku, která se zvětšuje s narůstající vzdáleností mezi optickou osou a předmětovým bodem Y. V důsledku tohoto jevu dochází ke vzniku zkresleného obrazu, který je ale možné upravit kombinací čoček do takové míry, že nepůsobí rušivě. Obr. 2.4 Zkreslení [ 10, str.99 ] Pozn.: H.předmětový hlavní bod H obrazový hlavní bod x...vzdálenost předmětu od vrcholu čočky x 0 vzdálenost obrazu od vrcholu čočky y velikost předmětu τ úhel dopadu (úhel lomu) Astigmatismus a sklenutí Astigmatismus a sklenutí (zakřivení) jsou vady, které spolu souvisí. Ke sklenutí dochází, když se rovinný předmět kolmý na optickou osu zobrazuje jako zakřivená plocha. Při astigmatismus se jeden předmětový bod zobrazí jako dvě úsečky (fokály), které jsou od sebe v určité vzdálenosti a leží v navzájem kolmých rovinách. Vzdálenost mezi dvěmi fokálami se označuje jako astigmatický rozdíl. Astigmatismus je možné ve velké míře korigovat vhodnými čočkami (anastigmat) a současně s astigmatismem se upravuje i sklenutí. 16

17 Koma Z předmětového mimoosového bodu dopadá na čočku široký svazek paprsků a okrajové paprsky tangenciálního svazku (sagitálního svazku) se po průchodu čočkou protínají v bodě Y T (Y S), který leží mimo hlavní paprsek. Vzdálenost mezi takto vzniklým bodem a hlavním paprskem se označuje jako tangenciální (sagitální) koma. Ke korekci této vady se používá soustava čoček, přičemž se snaží dosáhnout stavu, kdy bod Y T a Y S leží na hlavním paprsku a splývají v jeden bod [10]. Obr. 2.5 Koma [ 10, str.104, upraveno] Chromatické chyby Při průchodu složeného (bílého) světla přes čočku vzniká tolik obrazů, kolik obsahuje světlo vycházející ze zdroje monochromatických složek. Vzniklé obrazy se liší polohou i velikostí. Mezi chromatické vady tedy řadíme barevnou chybu polohy a barevnou chybu velikosti Barevná vada polohy Barevná vada polohy je dána vzdáleností x λ mezi obrazy X G a X C, které vznikají zobrazením světel o vlnových délkách λ G a λ C. Ke korekci se používá spojná čočka z korunového skla a rozptylná čočka z flintového skla, takže jedna čočka kompenzuje svou chromatickou vadou chromatizmus čočky druhé. Tyto dvě čočky bývají stmelené dohromady kanadským balzámem a nazývají se achromát. Jsou vhodné na korekci chyby dvou vlnových délek. Soustavu, která je schopná korigovat vadu tří vlnových délek, nazýváme apochromatická soustava. 17

18 Obr. 2.6 Barevná vada polohy [10, str.106 ] Barevná vada velikosti Při zobrazení složeného světla dochází ke vzniku různé velikosti obrazů pro různé vlnové délky světla (existuje různé příčné nebo úhlové zvětšení pro odlišné barvy světla). Barevná vada velikosti y λ je dána vzdáleností mezi průsečíky Y 1 a Y 2 hlavních paprsků (dvou monochromatických světel o vlnových délkách λ 1 a λ 2 ) s obrazovou rovinou ξ. Barevné vady zhoršují kvalitu zobrazení výrazněji než vady monochromatické a jejich korekce je možná jen částečně [10]. Obr. 2.7 Barevná vada velikosti [10, str.107 ] 18

19 3 Optický princip dalekohledu Dalekohled je zařízení, které obecně slouží k pozorování vzdálených předmětů. Sledovaný předmět je silně zvětšený objektivem a vytvořený obraz dále pozorován okulárem pod větším zorným úhlem než předmět při pozorování bez dalekohledu [1]. Optická soustava dalekohledu je afokální. Okulár je umístěný tak, že obraz vycházející z objektivu je v jeho předmětovém ohnisku, proto jdou paprsky po průchodu okulárovým systémem opět rovnoběžně. Obraz sledovaného předmětu leží tedy v obrazové ohniskové rovině objektivu a předmětové ohniskové rovině okuláru [2]. Objektiv i okulár jsou tvořeny různými optickými systémy. Objektivy bývají zrcadlové nebo čočkové. Čočkové objektivy bývají ze spojného systému s kladnou ohniskovou vzdáleností, která tvoří reálný obraz v ohnisku. Okulár může být tvořen kladnými i zápornými čočkami nebo čočkovými soustavami. Výše zmiňovaná soustava dalekohledu byla afokální, pokud však změníme vzdálenost mezi objektivem a okulárem, tak již nebude obrazová ohnisková rovina objektivu totožná s předmětovou ohniskovou rovinou okuláru. K této situaci může dojít, pokud pozorujeme předmět umístěný v konečné vzdálenosti, obraz se vytvoří za ohniskovou rovinou objektivu ve vzdálenosti x, která lze určit pomocí Newtonovy rovnice: 2 f obj x = (x je negativní a je to vzdálenost od předmětového ohniska objektivu x k pozorovanému předmětu, f obj je ohnisková vzdálenost objektivu ). Tuto situaci lze řešit posunem zorné clony (viz. 4.2 Velikost a poloha vstupní a výstupní pupily, str.29) a okuláru o vzdálenost x od objektivu. Další situace, kdy dojde k poruše afokálnosti soustavy, je při krátkozrakosti nebo dalekozrakosti oka. K dosažení ostrého obrazu měníme polohu okuláru (dioptrický posun). Krátkozraké oko potřebuje, aby svazky vycházející z okuláru nebyly rovnoběžné, ale rozbíhavé. Okulár je tedy nutné posunout směrem k obrazu vytvářenému objektivem. Pro oči dalekozraké to platí naopak. Potřebují, aby z okuláru vycházely sbíhavé paprsky a okulár se posunuje dále od obrazového ohniska objektivu. Posun okuláru můžeme určit z Newtonovy rovnice f x = x ok 2 (za x se dosadí vzdálenost od předmětové hlavní roviny oka k dalekému bodu R v mm)[2]. 19

20 Mezi základní prvky dalekohledu řadíme objektiv, okulár a převracející soustavy. 3.1 Objektiv Zhruba do 18. století se jako objektiv používala jednoduchá čočka a kvalita obrazu byla zatížena barevnou vadou polohy. Korekce této vady vedla ke konstrukcím dalekohledů s ohniskovou vzdáleností f 70 D 2 ( D je průměr vyjádřený v cm) a tudíž nepříznivou délkou. Problém byl vyřešen konstrukcí achromatické čočky optikem Johnem Dollondem ( ). Dnes se nejvíce používají soustavy achromatické, ve speciálních případech apochromatické, zrcadlové objektivy najdeme výhradně u astronomických dalekohledů. U objektivu dalekohledu je potřeba korigovat vadu sférickou, komu a barevnou vadu polohy. Výroba objektivu musí být přesnější než okuláru, protože případná vada objektivu je okulárem ještě zvětšena [1] Čočkové objektivy Mezi nejčastěji používané typy čočkových objektivů patří: - Typ Fraunhoferův (Obrázek 3.2 a)-vznikl počátkem 19.století. Je to objektiv složený ze spojné a rozptylné čočky mezi nimiž je mezera. Korigovaná je barevná vada polohy, otvorová vada a koma. - Typ Gaussův (Obrázek 3.2 b)- tento typ se v praxi příliš nevyužívá. - Typ Clairautův (Obrázek 3.2 c)- je konstrukčně shodný s typem Fraunhoferova objektivu, vnitřní poloměry křivosti čoček si odpovídají, takže čočky mezi sebou nemají mezeru a jsou navzájem stmelené, díky tomu se zvyšuje kontrast obrazu. Tento typ se používá výhradně u triedrů. - Apochromatický objektiv(obrázek 3.2 d)- je složený ze tří čoček (dvou spojných a jedné rozptylné) a koriguje barevnou vadu polohy tří vlnových délek. Tyto typy se používají například u divadelních kukátek, triedrů nebo astronomických dalekohledů [1,2]. 20

21 Obr. 3.1 Druhy čočkových objektivů dalekohledu [1, str. 296, upraveno] Zrcadlové objektivy Mezi zrcadlové objektivy řadíme: - Kulová zrcadla - Objektiv Newtonův je tvořen primárním a sekundárním zrcadlem. Primární zrcadlo má parabolický tvar a přicházející světlo odráží do svého ohniska, kde se nachází malé sekundární rovinné zrcadlo, které odráží paprsky do okuláru umístěného na boku přístroje. - Objektiv Cassegrainův (obrázek 3.3)- paprsky se odráží od dutého primárního parabolického zrcadla na malé vypuklé hyperbolické zrcadlo a tím jsou odraženy do okuláru, který je umístěný na optické ose dalekohledu. Primární zrcadlo má uprostřed otvor. - Objektiv Gregoryův (obrázek 3.4) s hlavním zrcadlem paraboloidickým a vedlejším elipsoidickým. - Objektiv Schmidtův (obrázek 3.5)- zrcadlo kulové s korekční destičkou, korigovaná je otvorová vada a koma. - Objektiv Maksutovův (obrázek 3.6) složený z kulového zrcadla a korekční meniskové čočky[1] 21

22 Obr. 3.2 Objektiv Cassegrainův [1, str. 296, upraveno] Obr. 3.3 Objektiv Gregoryův [1, str. 296, upraveno] Obr. 3.4 Objektiv Schmidtův [1, str. 186, upraveno] Obr. 3.5 Objektiv Maksutovův [1, str. 187, upraveno] Dále existují objektivy pro zvláštní účely, například pro zaměřovače o velkém zorném poli, pro zaměřovače o středním zorném poli, pro periskopy nebo pro přístroje nivelační a theodolity, atd. [2]. 3.2 Okulár U okuláru je nutné korigovat astigmatismus, zklenutí, zkreslení a barevnou vadu velikosti. Okuláry můžeme rozdělit na jednoduché, mezi které řadíme okulár Galileiho (dvojvydutá rozptylná čočka, která umožňuje jen malé zvětšení a nepřevrací obraz) a okulár Keplerův tvořený spojnou čočkou (obraz převrací a vytváří obraz zvětšený), a okuláry složené. 22

23 Obr. 3.6 a, Keplerův okulár b, Galileův okulár [32] Jako složené okuláry označujeme okulár Huygensův složený ze dvou ploskovypuklých spojných čoček, mezi nimiž je clona. Tento okulár umožňuje korekci barevné chyby. Dalším složeným okulárem je ortoskopický okulár dle Ernsta Abbe tvořený vstupní clonou, tmelenou spojnou skupinou tří čoček a výstupní konvex-konkávní spojky. Pomocí čtyř čoček, ze kterých je ortoskopický okulár složený, je umožněna dokonalá korekce barevné chyby. Posledním typem patřícím mezi složené okuláry je okulár Ploessel-Steinheilův složený ze dvou tmelených dvoučlenných achromátů, které jsou obrány proti sobě. Tento typ okuláru koriguje barevné vady stejně dobře jako okulár Abbeův, je však výrobně levnější. Okuláry používané pro širokoúhlé soustavy mohou být složené ze šesti i více čoček, případně nesférickými povrchy, které jsou však výrobně drahé [2,32]. Obr. 3.7 a, Huygensův okulár b, Ortoskopický okulár dle Ernsta Abbe c, Plöessel-Steinheilův okulár [32, upraveno] 23

24 3.3 Převracející soustavy Obraz lze převrátit pomocí čoček, rovinných zrcadel nebo odrazných hranolů Zrcadlové soustavy Jedním zrcadlem dosáhneme otočení obrazu pouze v jednom směru, chceme-li tedy pomocí zrcadel dosáhnout úplného otočení obrazu, je potřeba k tomu použít alespoň dva odrazy (obecně-sudý počet odrazů) Hranoly Hranoly s odraznými plochami mají oproti zrcadlům výhodu ve větší odrazivosti (využívá se totální odraz), vyhneme se vzniku dvojitých odrazů, které vznikají u zrcadel stříbřených na zadní straně, a hranoly představují více stabilní systém než soustava zrcadel (odrazné plochy hranolů svírají pevně dané úhly). Hranoly bývají sestaveny tak, aby střední paprsky svazků dopadaly kolmo ke stěně vstupní a výstupní a tím se zmenšily ztráty světla odrazem na těchto stěnách a také vady zobrazení. Pokud paprsky dopadají na odrazné plochy pod menším úhlem než je mezní úhel, bývají odrazné plochy stříbřené. Druhy hranolů používané v praxi: - Pravoúhlý rovnoramenný hranol je na průřezu tvaru rovnoramenného pravoúhlého trojúhelníku. Lze použít k uchýlení osy světelného svazku o 90, k částečnému otočení obrazu nebo k částečnému převrácení obrazu bez změny směru svazku. Tento typ hranolu se používá nejčastěji. - Střechový hranol obrací obraz a uchyluje svazek o Pentagonální hranol - Rhombický hranol pouze paralelně posouvá světelné paprsky. - Hranol Schmidtův (Obrázek 3.10) obraz úplně obrací a používá se do záměrných dalekohledů, u kterých je potřeba, aby osa okuláru svírala s osou objektivu určitý úhel [1]. 24

25 Obr. 3.8 Hranol Schmidtův [1, str. 297] Soustava hranolů k úplnému převracení obrazu: - Porrova soustava prvního druhu (Obrázek 3.11) je složená ze dvou pravoúhlých hranolů, který mají k sobě otočené rovnoběžné přeponové stěny, přičemž roviny pravých úhlů jsou na sebe kolmé. Obr. 3.9 Soustava Porrova prvního druhu [1, str. 297] - Porrova soustava druhého druhu je složená ze tří pravoúhlých rovnoramenných hranolů, které mohou být pro praktické použití přemístěny různým způsobem (Obrázek 3.12). 25

26 Obr Modifikace Porrovy soustavy druhého druhu [1, str.298] Obraz vytvořený objektivem je hranolem posunut o d n 1 ve směru vystupujících paprsků. n Soustava hranolů k převracení obrazu byla u dalekohledu poprvé použita roku 1852 italským fyzikem Ignatio Porrem a roku 1893 zavedena Abbeem v Zeisových závodech v Jeně Čočkové soustavy Principiálně by k převrácení obrazu stačila jediná čočka, která přenese obraz vytvořený objektivem do ohniskové roviny okuláru, toto užití má ale značné justážní a korekční nevýhody. Nejčastěji se proto používá soustava dvou čoček o ohniskových vzdálenostech f 1 a f 2, mezi kterými je paralelní chod paprsků (ohnisková rovina první čočky splývá s ohniskovou rovinou objektivu a ohnisková rovina druhé čočky s ohniskovou rovinou okuláru) [1]. 26

27 4 Vlastnosti dalekohledu Mezi základní vlastnosti dalekohledu bývá zařazené zvětšení, světelnost a rozlišovací schopnost. 4.1 Zvětšení a zorné pole dalekohledu Zvětšení Γ lze vyjádřit jako poměr ohniskových vzdáleností objektivu f ob a okuláru f ok. Γ = f f ok tgσ = tgσ ob Vzorec pro zvětšení dalekohledu vyjadřuje úhlové zvětšení mezi svazky paprsků vstupujících a vystupujících z přístroje. Současně je to poměr tangent úhlů, pod kterými vidíme předmět při pozorování dalekohledem a pouze okem (vzdálený předmět vidíme prostým okem pod úhlem σ). Dále je možné zvětšení vyjádřit jako poměr průměru vstupní a výstupní pupily dalekohledu (Γ= D/D ) [1]. Co se týká zorného pole vyžaduje dalekohled holandský samostatné úvahy. Výstupní pupila je v podstatě clonou zorného pole, takže její průměr D ovlivňuje rozsah zorného pole. Dalšími faktory, na kterých závisí velikost zorného pole, jsou průměr oční pupily D o a vzdálenost d objektivu od okuláru. Průměr výstupní pupily při daném zvětšení závisí na průměru objektivu. Průměr oční pupily není stálý, mění se se změnou světelných podmínek, takže je zorné pole jiné za jasného dne a jiné za soumraku. Jestliže má oko přehlédnout pole dalekohledu, musí se otáčet. Pokud je a vzdálenost středu otáčení oka od okuláru, je poloviční úhel σ zorného pole dán vzorcem : D + ΓD0 tgσ = 2Γ( aγ + d). Z předchozího vzorce vyplývá, že zorné pole je tím větší, čím je D větší a d menší. Tento požadavek lze splnit pomocí objektivu velkého relativního otvoru, protože d je tím menší, čím je kratší ohnisková vzdálenost objektivu. Je nutné si však uvědomit, že s velikostí relativního otvoru roste otvorová vada, čímž je dána mez velikosti zorného pole [4]. 27

28 4.2 Velikost a poloha vstupní a výstupní pupily Množství světla, které pojme dalekohled se určuje velikostí jeho vstupní pupily. Vstupní pupilou dalekohledu bývá přímo objímka objektivu. Clony umístěné za objektivem obvykle nesmí tvořit pupilu a tím snižovat opticky použitelný průměr objektivu. Objektiv nebo jeho objímku můžeme zobrazit pomocí okuláru do prostoru za dalekohledem (a to je potom výstupní pupila dalekohledu). Výstupní pupilu je možné znázornit pomocí grafické konstrukce (Obrázek 4.1), ale je možně ji pozorovat i prostým okem. Pokud se díváme na okulárovou stranu ze vzdálenosti asi 30 cm a obrátíme přitom dalekohled objektivem směrem k obloze nebo jiné osvětlené ploše, uvidíme v blízkosti okuláru světlý kroužek, který odpovídá výstupní pupile. Pupily jsou jednak důležité kvůli tomu, že jsou nejužšími místy kudy prochází světlo dalekohledem, navíc poloha výstupní pupily je jednou z charakteristik dalekohledu. Pokud by vstupní pupila oka nebyla v místě výstupní pupily dalekohledu, mohlo by se stát, že by šikmé svazky paprsků nestupovaly do oka a bylo by možno využít jen část pole daného dalekohledu [2]. Obr. 4.1 Krajní a osový svazek paprsků v Keplerově dalekohledu [2, str. 210] Pozn.: Výstupní pupila se určila grafickou konstrukcí pomocí dvou zakreslených paprsků. Je to okrajový paprsek 1 středního (osového) svazku a tím stejným okrajem objektivu procházející paprsek 2, který patří svazku a který tvoří O 2. Za okulárem vychází tento parsek rovnoběžně s paprskem, který prochází hlavními body okuláru (vyznačený tečkočárkovaně ). 28

29 Ve skutečnosti je chod paprsků takový, že je všechny nehybným okem nezachytíme, proto je výhodné, když je střed otáčení oka v blízkosti vstupní pupily (tj. asi 10,5 mm od vstupní pupily oka). Často však není možné dostat oko tak blízko dalekohledu, abychom výstupní pupilu umístili do středu otáčení oka, takže se omezuje rozsah zorné pole nebo snižuje jas obrazu na okrajích pole. Obr. 4.2 [2, str. 211] Pozn.: Pro otáčející se oko by měla být výstupní pupila přístroje ve středu otáčení oční koule (poloha M 0 ). V jiné poloze (např. M 1 ) vniká do oka jen část použitelných paprsků a v bodě M 2 neobsáhneme zrakem už vůbec celé zorné pole. Zorné pole astronomického dalekohledu omezujeme clonou umístěnou do společné ohniskové roviny objektivu a okuláru (tj. clona zorného pole nebo zorná clona). Clonou můžeme zorné pole ostře ohraničit. Do roviny zorné clony bývá umístěn záměrný kříž, tj. značka, která usnadňuje přesné zaměření dalekohledu na určitý bod. Zorný úhel dalekohledu (úhel zorného pole dalekohledu) je úhel, pod kterým vstupují do objektivu rovnoběžné paprsky, které tvoří obraz právě na protilehlých okrajích clony. Zorné pole holandského dalekohledu je určené polohou a velikostí výstupní pupily, která je uvnitř přístroje, toto zorné pole není ostře ohraničené a jeho velikost závisí především na velikosti a poloze výstupní pupily a poloze a velikosti pupily oka (zorné pole bude tím větší, čím jsou obě pupily navzájem blíže umístěné a větší). Na velikost výstupní pupily dalekohledu má vliv průměr objektivu a zvětšení přístroje. Čím víc dalekohled zvětšuje, tím víc se zmenšuje výstupní pupila a zorné pole. Zorné pole je také větší pro kratší dalekohledy [2]. 29

30 4.3 Světelnost dalekohledu Předměty, které dalekohledem pozorujeme jsou obecně dvojího druhu- bodové a předměty, které mají určité plošné rozměry. Světelnost přístroje je při pozorování bodového předmětu daná poměrem světelného toku vstupujícího do oka po průchodu dalekohledem ku toku vstupujícímu do oka při pozorování bez dalekohledu. Pokud bychom zanedbali ztráty světla odrazem a absorpcí, byl by tento poměr pro dalekohled větší než jedna. Dalekohledem například vidíme hvězdy jasnější než prostým okem, protože objektiv dalekohledu pojme z bodového zdroje vždy širší světelný kužel než je šířka kuželu světla dopadajícího přímo do oka. Pokud má pupila oka stejný průměr jako výstupní pupila dalekohledu, světelnost by se určovala poměrem plochy vstupní (D) a výstupní pupily (d), tedy vyjádřením ztráty světla, způsobené odrazem a absorpcí, což ve vztahu vyjadřujeme koeficientem transmise t < 1. 2 D Světelnost S = t 2. d Pupila oka je však často větší než výstupní pupila dalekohledu, proto má dalekohled zmenšenou světelnost. Bodový předmět vytvoří po průchodu paprsků dalekohledem bodový obraz na sítnici oka (pokud nebereme v úvahu ohyb světla a aberace) a celý světelný tok je tedy soustředěn na jeden světločivný element. Obraz bude tedy tím jasnější, čím více světla se dalekohledem soustředí. Pokud je při pozorování plošných předmětů výstupní pupila dalekohledu stejně velká jako vstupní pupila oka, říkáme, že má dalekohled normální zvětšení (světelnost se rovná jedné). Do oka přichází z předmětu světelný tok zvětšený v poměru ploch vstupní a výstupní pupily, který se v oku rozdělí na obrazovou plochu. Subjektivní dojem jasu pozorovaného předmětu závisí na osvětlení sítnice oka a byl by stejný jako při pozorování předmětu prostým okem, pokud by nebyly ztráty světla odrazem a absorpcí, které zahrnuje koeficient transmise t (analogicky jako při pozorování bodového předmětu). Světelnost je v tomto případě S = t < 1. V konečném výsledku vidíme předměty pod větším úhlem, ale jas zvýšený není. U dalekohledů při daném zvětšení Γ s výstupní pupilou menší než je pupila oční (a při změně okuláru zůstává stále menší nebo nejvýše rovna oční pupile) je světelnost přímo úměrná čtverci podílu průměru objektivu a průměru oční pupily. Pokud je průměr objektivu při určitém okuláru takový, že je průměr oční pupily menší než průměr výstupní pupily, bude světelnost přímo úměrná čtverci zvětšení. 30

31 Někdy bývá světelnost dalekohledu uváděna tak, že je za jednotku světelnosti pokládaná plocha výstupní pupily o průměru d = 1 mm. Světelnost dalekohledu se potom vyjadřuje poměrem plochy výstupní pupily k ploše jednotkové pupily. Tento údaj neodpovídá světelnosti, o které je psáno výše (k té bychom potřebovali vědět průměr vstupní pupily oka pozorovatele) [2,4]. 4.4 Rozlišovací mez Objektiv dalekohledu o průměru D zobrazí odděleně dva body, pokud je jejich úhlová vzdálenost Ψ rovna: 1,22λ ψ = rad D Aby se využilo rozlišovací meze Ψ objektivu dalekohledu o průměru D, je nutné volit zvětšení Γ tak, aby platilo Ψ 0 Ψ 4Ψ0 (Ψ 0 = 60 je konvenční rozlišovací mez oka). 120 Po dosazení 60 Γ 240 nebo D D Γ 2D. 2 Zvětšení dalekohledu, které je větší než 2D se nazývá prázdné, protože nelze rozlišit další detaily a ty detaily, které byly zobrazeny objektivem, jsou značně větší a obraz jako celek je neostrý. Rozlišovací mez astronomických dalekohledů zkoušíme pozorováním dvojhvězd, které mají známé úhlové vzdálenosti (jsou udány v hvězdných seznamech). Pro dalekohledy terestrické je tato zkouška příliš jemná, proto se používají jiné testy, především Foucaultovy. Pro správné hodnocení rozlišovací meze dalekohledu musí pozorovatel současně provést měření rozlišovací meze svého oka za stejných podmínek (hlavně za stejného osvětlení testu) [1,2]. Obr. 4.3 Testy na zkoušení rozlišovací schopnosti, i= interval testu [2, str.217] Pozn.: Stejně široké černé a bílé pásy jsou od sebe vzdáleny tak, že na určitou pozorovací vzdálenost vidíme každý interval pod určitým úhlem vyjádřeným v sekundách. 31

32 5 Historie dalekohledů Různé náznaky o existenci dalekohledných zařízení můžeme nalézat již v dobách starověku, kdy jsou dochovány záznamy především o astronomických jevech, které nelze vidět běžně očima. Dále se pak můžeme setkat se zmínkou z r.1205, kterou pronesl Roger Bacon, že lze uspořádat optická média tak, abychom viděli věci v dálce, z čehož bývá usuzováno, že použil dalekohled. Zvětšovací skla byla zmiňována i roku 1298 a po objevu nových způsobů výroby skla v Itálii koncem 16.století se dá předpokládat, že v té době věděli o efektech spojených s použitím více čoček. Všechny tyto záznamy jsou ale spíše spekulacemi, které prokazatelně nedokazují existenci dalekohledu. Tento důkaz přichází roku 1608 a je jím záznam o patentu holandského brusiče skel a výrobce brýlí Hanse Lippershey z Middelburgu ( ) na vynález, kterým všechny věci ve velké vzdálenosti mohou být viděny jakoby by byly docela nedaleko. K tomuto zjištění dospěl při pozorování věže kostela dvěma čočkami umístěnými za sebou. Dalekohled sestrojený podle tohoto vynálezu zvětšoval třikrát až čtyřikrát a byl sestaven ze spojné a rozptylné čočky umístěné v duté trubce. Ve velmi krátké době se zpráva o tomto vynálezu rozšířila po Evropě [21,27]. Kolem roku 1609 se dostává dalekohled do rukou italského astronoma a matematika Galileo Galilei, který ho začne ne jen využívat při svém bádání, při němž v oblasti astronomie objevil právě díky dalekohledu například krátery a hory na Měsíci, pás Mléčné mlhoviny nebo čtyři Jupiterovy měsíce, ale vynaloží své úsilí i na zlepšování parametrů dalekohledu, takže z původního trojnásobného zvětšení se dostane na zvětšení 30-i násobné. Celková délka dalekohledu byla 1245 mm a skládal se z vypuklé čočky o průměru 53,5 mm v roli objektivu, okulár měl průměr 25 mm. Tento dalekohled se dochoval až do dnešní doby a můžeme ho najít v muzeu ve Florencii [27]. Nový typ dalekohledu navrhl Johannes Kepler ( ). Použil spojnou čočku pro objektiv i okulár a výhodou pak byla nejen větší světelnost obrazu, ale také umožnil pozorovat současně s předmětem i stupnici na měření (cílovou značku). (Tento dalekohled podle návrhu Keplera zkonstruoval roku 1611 Christopher Scheiner.) Kepler také zavedl 32

33 název teleskop (z řec. tele= daleko, skopein= hledět) nebo v češtině dalekohled. První veřejné uznání přinesla anglickému astronomovi, fyzikovi a matematikovi Issacu Newtonovi právě snaha o vylepšení dalekohledu, který patřil dlouhou dobu k nejpopulárnějším vědeckým přístrojům. Roku 1668 Newton pozměnil stavbu dalekohledu a místo objektivu použil duté zrcadlo, od něhož se paprsky odrážely do jeho ohniskové roviny ležící na stejné straně jako pozorovaný předmět. Potíže při konstruování tohoto dalekohledu nastaly při hledání vhodné slitiny na výrobu zrcadla. Newton využil měď s příměsí arzenu a cínu. Chod odražených paprsků od zakřiveného zrcadla byl upravován malým rovinným zrcadlem tak, aby mohl být obraz pozorován postranním okulárem. První sestavený model měl nedostatky především v matném a rozmazaném zobrazování. Roku 1671 vznikl model druhý, který byl větší a dokonalejší a zvětšoval 38-krát. Dalekohled byl poslán do Londýna ke králi Karlu II. a na seznámení do Royal Society, kde sklidil úspěch a Newtonovi zajistil roku 1672 zvolení do této společnosti. Od 18.století se prosazují hlavně zrcadlové dalekohledy. Souvisí to se skutečností, že výroba čoček větších rozměrů je nesnadná nebo přímo nemožná (velikost nad 1 metr). Tyto zrcadlové dalekohledy mají objektiv dole na konci tubusu, na rozdíl od dalekohledů čočkových, kde je na horním konci tubusu. Jako objektiv pak využívají parabolické nebo kulové (při malých velikostech většinou do 10 cm) zrcadlo [27]. 24.dubna 1990 nastala dlouho plánovaná a očekávaná událost- mise STS-31, při níž raketoplán Discovery vynesl na oběžnou dráhu Země Hubbleův vesmírný dalekohled (HST- Hubble Space Telescope). Hubbleův vesmírný teleskop byl součástí série Velkých kosmických observatoří, programu výzkumu vesmíru amerického Národního úřadu pro letectví a kosmonautiku (NASA) a umožňoval pořizovat ostré snímky vesmírných těles. Jeho optická soustava používala systém hyperbolických zrcadel Richey-Chretien. Nejdůležitější součástí bylo zrcadlo a soustava teleskopu. Zrcadlo muselo být vyleštěné s rozlišením 1/65 vlnové délky viditelného světla (asi 10 nanometrů), bylo vyrobené z nízkoroztažného skla a na povrchu pokryté tenkou odraznou vrstvičkou hliníku a ochranným nátěrem z fluoridu hořčíku. Dalekohled a ostatní přístroje byly umístěné v lehké hliníkové schránce a nejdůležitější části celého komplexu navíc pevně usazené díky grafito-epoxidové kostře. Celý komplex pak chránil vícevrstevný izolační plášť. Mezi původní přístroje, které HST nesl patřila kombinovaná širokoúhlá a planetární kamera (WF/PC), spektrometr s vysokým rozlišením (GHRS), vysokorychlostní fokometr (HSP), kamera pro záznam velmi slabých 33

34 objektů (FOC) a spektrograf slabých objektů (FOS). Hubbleův vesmírný dalekohled prodělal několik oprav a slouží do dnešní doby [24,31]. Dalším zajímavým projektem byl 11 denní let balónu s teleskopem BLAST (zkratka pro Balloon-borne Large Aperture Submillimeter Telescope) roku 2006, který se vznášel ve výšce 37 km nad Antarktidou a mapoval vesmír v oblasti infračerveného záření (vlnové délky 250, 350 a 500 µm). Jednalo se již o třetí let. (První zkušební let se uskutečnil roku 2003 na území Nového Mexika a trval 27 hodin, druhý let roku 2005 byl vědecký a za 4 dny balón s teleskopem přeletěl ze Švédska až do Kanady.) Dalekohled se skládal s primárního zrcadla o průměru 2 metrů, které soustřeďovalo světlo na soustavu detektorů-bolometrů, chlazených tekutým dusíkem a héliem na teplotu 0.3 K (-272,85 o C). Celé zařízení mělo váhu kolem 2700 kg a do vrchních vrstev atmosféry bylo vynášeno speciálními balóny NASA. Bývá uváděno, že tento projekt byl úspěšný a umožnil zaznamenat desetkrát více galaxií během zmíněných 11 dní než pozemské dalekohledy za desetiletí [25,28]. 34

35 6 Dělení dalekohledů a jejich využití Existuje několik aspektů podle kterých můžeme dalekohledy rozdělit. Jedním z nejběžnějších dělení dalekohledů je podle typu hlavního zobrazovacího členu na čočkové (refraktory) a zrcadlové (reflektory). Další dělení může být podle toho, jestli se dalekohled používá pro jedno oko (dalekohledy monokulární) nebo pro oči obě (dalekohledy binokulární nebo dvojité). Binokulární dalekohledy jsou výhodné díky možnosti použít hranolové soustavy ke zvětšení vzdálenosti objektivů na větší než je oční rozestup, takže jsou lépe vnímatelné hloubkové rozdíly. Obr. 6.1 a, Binokulární dalekohled [14] b, Monokulární dalekohled [15] Dále lze dalekohledy dělit podle využití například na dalekohledy pro všeobecnou potřebu a dalekohledy pro zvláštní účely nebo konkrétněji na turistické dalekohledy, divadelní kukátka, lovecké, astronomické, vyhlídkové, pozorovací dalekohledy, periskopy, záměrné soustavy a dálkoměry. Někdy se můžeme setkat i s komerčním dělením dalekohledů, které je v podstatě totožné s dělením dalekohledů podle jejich využití [4]. 6.1 Refraktory Refraktor je dalekohled, jehož oba optické členy, objektiv i okulár, jsou tvořeny čočkami. Tyto dalekohledy jsou zatíženy řadou vad, z nichž nejvýraznější jsou vady chromatické, které se korigují kombinací čoček z různých druhů skel. Mezi čočkové dalekohledy patří dalekohledy Keplerovy se spojným okulárem a holandské dalekohledy s okulárem rozptylným. 35

36 6.1.1 Keplerův (hvězdářský) dalekohled Tento typ dalekohledu je vhodný především pro měřící účely, do ohniskové roviny dalekohledu mohou být totiž umístěny značky, které lze vidět současně s pozorovaným předmětem. Dalekohled vytváří obraz převrácený, což není překážkou pro použití k astronomickým pozorování a geodetickým měřením. Při využití dalekohledu k pozemským pozorováním je vhodné obraz vytvořený objektivem převrátit a to pomocí převracející soustavy (zrcadla, hranoly nebo čočky- viz. 3.3 Převracející soustavy) nebo lze převrácení obrazu dosáhnout použitím rozptylného okuláru, který je využitý u holandského dalekohledu. Objímka dalekohledu je vstupní pupilou a její obraz vytvořený okulárem pak pupilou výstupní. Pupila oka by měla splynout s výstupní pupilou dalekohledu. Při velkém zorném poli je vhodné, aby splýval střed rotace otáčení oka se středem výstupní pupily dalekohledu. Délka Keplerova dalekohledu se rovná součtu ohniskových vzdáleností objektivu a okuláru (pokud zanedbáváme tloušťku čoček) [4]. Obr. 6.2 Schéma Keplerova dalekohledu [18, upraveno] 36

37 6.1.2 Galileův (holandský, pozemní) dalekohled Tento typ dalekohledu nemá reálnou obrazovou rovinu, do které by šly umístit měřící značky, proto se nehodí na použití k měřícím účelům. Tvoří obraz vzpřímený a používá se v divadelních kukátcích. Má malý rozsah zorného pole, hodí se pro malá zvětšení. Vstupní pupilou dalekohledu je objímka objektivu a pupila výstupní je uvnitř přístroje (je neskutečná). U dalekohledu ve spojení s okem je výstupní pupilou pupila oka a vstupní pupila celé soustavy je neskutečná. Délka holandského dalekohledu se rovná rozdílu absolutních hodnot ohniskových vzdáleností objektivu a okuláru (pokud zanedbáme tloušťku čoček). Holandský dalekohled se používá výhradně jako dalekohled binokulární. Velikost průměru objektivu je závislá na velikosti očního rozestupu pozorovatele (oba dalekohledy nemohou mít větší vzdálenost než je oční rozestup). Takže pokud je střední hodnota očního rozestupu asi 65 mm, může být průměr objektivu asi 60 mm, čímž je udaná mez pro průměr objektivu a velikost zorného pole. Mezi výhody holandského dalekohledu lze zařadit nízkou cenu těchto dalekohledů z důvodu relativně jednoduché konstrukce a malé ztráty světla odrazem [4]. Obr. 6.3 Schéma Galileova dalekohledu [17, upraveno] 37

38 6.2 Reflektory Objektivem zrcadlových dalekohledů je duté zrcadlo (kulové, parabolické nebo hyperbolické), jehož plocha určuje světelnost dalekohledu. Toto zrcadlo je zrcadlo primární a správně má mít tvar parabolický. Ten však lze při malé ploše a velké ohniskové vzdálenosti nahradit plochou kulovou, pokud tedy pozorovatel nevyžaduje nejvyšší možnou kvalitu obrazu. Kulová plocha se používá jako náhrada především z důvodu nižších nákladů na výrobu. Obraz sledovaného předmětu se dále odráží sekundárním zrcadlem a je pozorován okulárem. Mezi hlavní výhody reflektorů patří nepřítomnost barevné vady a snazší výroba velkých zrcadel. Mezi zrcadlové dalekohledy patří Cassegrainův a Newtonův dalekohled Cassegrainův dalekohled Paprsky odražené dutým primárním parabolickým zrcadlem se soustředí do malého vypuklého hyperbolického zrcadla a tím jsou odraženy do okuláru, který je umístěný na optické ose dalekohledu. Primární zrcadlo má tedy uprostřed otvor. Z původní konstrukce navržené sochařem Guillaume Cassegrainem (1672) vychází řada dalších modifikací, například typ Ritchey-Chrétien, který jako primární plochu používá plošší hyperbolické zrcadlo a jako sekundární zrcadlo hyperbolické s velkým ohybem a v ohnisku je navíc uložen korekční člen. Typ Ritchey-Chrétien je použitý ve většině velkých dalekohledů současnosti včetně Hubbleova vesmírného dalekohledu (viz. Kapitola 5 Historie dalekohledů). Obr. 6.4 Schéma Cassegrainova dalekohledu [11, upraveno] 38