Okularkonstruktionen und ihre Anwendung

  • Einführung


    Das erste mehrlinsige Okular wurde 1660 von Christiaan Huygens erfunden. Selbst dieses zweilinsige Okular wird immer noch hergestellt, sogar von seriösen Produzenten. Es scheint also, dass die Segnungen der modernen Okulartechnik nicht nur Vorteile bieten.


    Die klassischen Okulare heißen Huygens, Ramsden, Kellner, Abbe, König und Plössl – nach ihren Erfindern. Diese Optiken wurden als Arbeitsinstrumentwe für Wissenschaftler entworfen. Sie sollen scharfe Bilder ermöglichen und genaue Messungen erlauben. Unbequemlichkeiten beim Gebrauch wurden von den Alt-Astronomen klaglos hingenommen.


    Hinzu kommt, dass klassische Sternwarteninstrumente ein gutmütiges Verhältnis von Öffnung zu Brennweite aufweisen – es sind optisch gesehen "lange dünne Röhren". Die dazu passenden Okulare mussten weder besonders kurzbrennweitig sein noch mit steil einlaufenden Strahlenbündeln zurechtkommen.


    Die Amateurastronomie stellt neue Anforderungen an Okulare. Viele Teleskope sind nicht in einer Sternwarte aufgestellt, sondern sollen transportabel sein, die Baugröße rückt in den Mittelpunkt des Entwurfs und es resultieren optisch gesehen "kurze dicke Röhren". Beispiele sind Newton-Teleskope und Apochromaten. Die Okulare haben jetzt mit steil einfallenden Strahlenbündeln zu kämpfen. Um die Auflösungskraft auszunutzen, müssen sehr kurzbrennweitige Okulare benutzt werden. Außerdem gewinnt das Seherlebnis an Bedeutung: Ein großes scheinbares Gesichtsfeld und ein angenehmer Pupillenabstand sind wichtige Verkaufsargumente.


    Das älteste Okular, was solche Forderungen berücksichtigt, ist das "Erfle". Es wurde auch nicht für Wissenschaftler entworfen, sondern für das Militär, zum Einsatz an Feldstechern. Feldstecheroptiken haben ein großes Öffnungsverhältnis und erzeugen steil in das Okular einlaufende Strahlen. Um Ziele leicht aufzufinden, ist ein großes Gesichtsfeld von Bedeutung. Eine besonders hohe Vergrößerung ist hingegen nicht nötig. Hinweis: Ein Öffnungsverhältnis von f·1/4 ist groß und eines von f·1/20 ist klein. Ein Viertel ist 0,25, was viel größer als ein Zwanzigstel, nämlich 0,05. Nicht verwirren lassen!


    Ein solches Okular zu entwerfen erfordert nicht nur die Erhöhung der Linsenzahl, sondern auch ein "Opfern" von vormals selbstverständlichen Eigenschaften. Vor allem wurde die Verzeichnungsfreiheit aufgegeben. Erfle-Okulare wurden bald verbessert, eine weitere Linse kam hinzu. Dieser Entwurf bildet noch heute die Basis der einfachen Weitwinkelokulare.



    Barlow-Linsen - die Therapie gegen ein großes Öffnungsverhältnis


    Das Öffnungsverhältnis klassischer Fernrohre liegt jenseits f/10, oft sogar jenseits f/15. Typische Instrumente sind langbrennweitige Refraktoren und Cassegrain-Teleskope. Im Amateurbereich sind Modifikationen des Cassegrain-Fernrohrs weit verbreitet und diese Geräte sind auch nicht okularkritisch.
    Anders sieht das mit typischen Apochromaten oder gar Newton-Teleskopen aus. Das Öffnungsverhältnis liegt meist über f/6, manchmal sogar über f/4. Die Herausforderungen an die Okulare können gemildert werden, wenn man im Hochvergrößerungsbereich zusätzliche Linsen einsetzt, welche das Strahlenbündes "verschlanken". Dazu benötigt man ein optisches Element mit negativer Brennweite, also eine Zerstreuungslinse. Okulare hingegen sind Sammellinsen.
    Eine sog. Barlowlinse führt zu Erhöhung der Vergrößerung um eine Faktor, typisch zwischen 1,5 und 3.Um denselben Faktor wird das Öffnungsverhältnis verringert, welches das Okular verkraften muss. Aus einem angespannten f/5-Teleskop wird mit einer 2-fach-Barlow ein entspanntes f/10-Design.


    Okulare mit Negativelement


    Um Okulare zu entwerfen, die an Instrumenten mit großem Öffnungsverhältnis gut arbeiten, bietet sich die Integration einer Art Barlow-Linse in das Okular an. Man kann die Gesamtoptik aufeinander abstimmen und gewinnt auch ein paar Freiheitsgrade für den Okularentwurf. Üblicherweise werden größere scheinbare Gesichtsfelder und ein angenehmer Pupillenabstand erzielt - man muss bei kurzen Brennweiten nicht am Okular "kleben". Wie schon beim Erfle wird die Verzeichnungsfreiheit aufgegeben, die Vergrößerung ändert sich innerhalb des Gesichtsfeldes und wird zum Rand zu größer. Für Messaufgaben sind solche Okulare nicht geeignet.


    Eine Art Barlow-Linse, die zuviele Steroide genommen hat, ist der Smyth-Korrektor. Er weitet das Feld extrem auf, korrigiert dabei noch ein paar der Abbildungsfehler. Diese Gruppe wird zur Konstruktion von Okularen mit extrem großen scheinbaren Gesichtsfeld benutzt, wie Sie Al Nagler in den späten 70ern einführte. Einzeln als Baugruppe sind Smyth-Elemente nicht erhältlich, sie werden stets auf das Gesamtokular abgestimmt.


    Die linke Grafik bietet einen Überblick über die Konstruktion häufig vertriebener Okulartypen. Der Maßstab ist so gewählt, das sich dieselbe Brennweite ergibt.


    Kenngrößen verbreitete Okulartypen


    Die wichtigste Kenngröße eines Okulars ist die Brennweite, weil diese die Vergrößerung bestimmt. Alle Okulare lassen sich für verschiedene Brennweiten fertigen. Der Pupillenabstand – also der Raum zwischen augenseitiger Linse und der Pupille des Beobachters – sinkt dabei mit der Brennweite. Kurzbrennweitige Okulare sind deshalb nur unbequem zu benutzen. Okularserien mit festem Pupillenabstand haben innewendig kein einheitliches Design: Eine Erhöhung der Vergrößerung wird hauptsächlich vom Negativ-Element getragen, welches das Einblickverhalten nur wenig beeinflusst. Die linke Tabelle gibt einen Überblick über dei allgemeinen kenngrößen der wichtigsten Okulare.



    Die Bildschärfe ist bei allen Okularen in der Mitte am besten und nimmt um Rand zu ab. Wie scharf ein Okular zentral zeichnet und wie rasch die Schärfe zum Rand zu abnimmt, hängt vom Öffnungsverhältnis des Teleskops ab. Keines der klassischen Okulare zeichnet bis zum Rand hin scharf, wenn das Instrument ein ebenes Bildfeld liefert. Ein gewölbtes Bildfeld erleichtert dem Okular die Arbeit, erfordert aber ein Nachstellen der Schärfe bzw. einen Wechsel der Akkommodation.
    Die Bildschärfe sollte sich am Auflösungsvermögen des Auges orientieren, was bei Normalsichtgen etwa 1 Bogenminute beträgt. Dieser Wert sollte im zentralen Bereich erreicht werden. Allzu sklavisch muss man diese Forderung nicht vertreten, da Astronomen ohnehin zum Übervergrößern neigen. Jenseits von 2 Bogenminuten (scheinbarer Winkel) sollte die Schärfe aber nicht liegen. Zum Rand zu ist eine stärkere Unschärfe akzeptabel, 5 Bogenminuten sind eine vernünftige Forderung. Eine Basis für die Einschätzung der Bildschärfe leifert die rechte Tabelle im Anhang.



    Viele der einfachen Okulare liefen ein kleines scheinbares Bildfeld um 40°. Heutzutage empfinden wir dies als "Röhrenblick". Die Erkennbarkeit von Einzelheiten an Planeten und Doppelsternen wird dadurch nicht beeinträchtigt, zumindest nicht bei einem nachgeführten Instrument. Teleskope mit manueller Nachführung profitieren allerdings erheblich von einem größeren Bildfeld. Ebenso wird die Beobachtung ausgedehnter Nebel erleichtert. Jenseits 50° scheinbarem Bildfeld geht der Röhrenblick verloren, ca. 65° kann man mit dem Auge überblicken. Wenn 80° überschritten werden, dann verschwinden die Grenzen des Bildfeldes gänzlich aus der Wahrnehmung, das Objekt scheint frei im Raum zu schweben.


    Der optimale Pupillenabstand beträgt 15-20 mm, der letzte Wert ist auch für Brillenträger geeignet. Bis hinunter zu 10 mm sind Okulare gut benutzbar, darunter wird es anstrengend. Außerdem neigt man dazu, die Augenlinsen durch den Wimpernschlag zu verschmieren.
    Pupillenabstände jenseits von 25 mm bereiten auch Schwierigkeiten. Es ist dann problematisch, das Auge in diesem großen Abstand zu halten. Vermindert werden kann dieser Effekt durch gut konstruierte Augenmuscheln, evtl. sogar verstellbare.


    Sehr wichtig ist die allgemeine Fertigungsqualität. Alle Okularkonstruktionen werden von verschiedenen Herstellern angeboten. Die Oberflächenqualität der Linsen ist durch die maschinelle Produktion meist nicht zu beanstanden. Wichtig sind eine wirklich gute Mehrfachvergütung, weitere Maßnahmen gegen Streulicht(Innenblenden, geschwärzte Linsenkanten, geschwärzte Steckhülse) und eine komfortable Augenmuschel. Hierdurch sind höhere Preis der Markenprodukte durchaus gerechtfertigt: Die Unterschiede in der Bildklarheit sind enorm.


    Persönliche Meinung zur Okularauswahl


    Für die Beobachtung von Sonne, Mond, Planeten und Doppelsternen sind hochwertige Plössl-Okulare eine gute Wahl. An einem Instrument mit nicht zu großem Öffnungsverhältnis zeichnen sie im Zentrum sehr scharf. Da die Schärfe zum Rand hin abnimmt, sollte der Planet im Zentrum des Bildfeldes stehen. Für Instrumente mit sehr großem Öffnungsverhältnis über f/5 sollte zusätzlich eine Barlow-Linse benutzt werden. Die einfachen Barlows, die sich wie ein Filter anschrauben lassen und Faktor 1,5 haben, harmonieren gut mit Plössls. Man hat es dann mit 6 Glas-Luft-Flächen zu tun: Das geht vom Streulicht her noch.


    Für die Beobachtung großflächiger Nebelobjekte sind die Okulare aus der Erfle-Klasse eine gute Wahl. Für hohe Vergrößerungen werden diese auch in fester Kombination mit einem Negativelement angeboten. Erfle-Okulare bieten ein vernünftiges Gesichtsfeld, haben weniger interne Reflexionen als Nagler-Okulare und sind viel leichter und kleiner und auch erheblich preisgünstiger. Erfle-Okulare sind nicht für Messaufgaben geeignet.


    Nagler-Okulare und deren Nachfolge bieten eine hohe Bildschärfe, bis wirklich zum Rand, was insbesondere von hohem ästhetischen Reiz ist. Die Verzeichnung ist sehr stark – der Mond sieht in solchen Okularen aus wie ein Goldfisch im Gurkenglas. Preis und Gewicht sind hoch, für Messaufgaben sind sie nicht geeignet.

  • Hallo Uwe,


    als ergänzende Literatur möchte ich noch EVOLUTION of the ASTRONOMICAL EYEPIECE empfehlen.
    Als PDF hier im Netz: http://www.howardastro.org/doc…volution_of_eyepieces.pdf


    Übrigens, das die Bildschärfe in der Mitte bei allen Okularen am besten ist, scheint nicht immer so zu sein. Im obigen Dokument (S. 31) steht:
    „However, unlike the Abbé Orthoscopic and its derivatives, where longitudinal spherical correction is zero on axis, the assymetric form of the Plössl leads to a zonal correction and the sharpest imagery does not occur on axis but some 30% towards the edge of the field of view. At low to medium powers this is of no consequence, but it is noticeable at high powers (exit pupils less than 1.5mm).“


    Gruß Ralf