Fernglas Grundlagen – Aufbau, Funktion und Physik

Es gibt manches zu beachten!

Um etwas besser zu verstehen, was und warum dies beachtenswert ist, möchten wir kurz erklären, was ein Fernglas überhaupt ist, und auf dessen prinzipiellen Aufbau eingehen. Man darf sagen, dass ein Fernglas im Grunde genommen ein tragbares Fernrohr ist, das in der Regel binokular aufgebaut ist. Da also beide Augen an der Betrachtung eines Beobachtungsobjekts beteiligt sind, müssen die zunächst getrennten Strahlengänge wie auch immer zu einem Bild zusammengeführt werden.

Für Opern- oder Theatergläser liegt wie beim Galilei-Fernrohr meistens eine einfache Linsenbauweise zugrunde. Das Prismenfernglas orientiert sich dagegen optisch eher am Kepler-Fernrohr und wird umgangssprachlich oft als Feldstecher bezeichnet. Es gibt beim Fernglas aber auch die einäugige, monokulare Bauweise.

Den Übergang vom Fernglas zum Fernrohr kann man durchaus als fließend auffassen. In dieser Nische erscheinen jene optischen Geräte, die als Spektive bezeichnet werden und als Fernglas besonders lang und schwer erscheinen, weshalb sie vornehmlich mit einem Stativ verwendet werden. Da sie vielfach mit einem ausziehbaren Tubus versehen sind, nennt man sie auch Auszugsfernrohr.  

Typische Vergrößerungen der unterschiedlichen Klassen von Ferngläsern:

• Operngläser:                                                3-fach
• Feldstecher:                                     6- bis 10-fach
• Spektive mit Zoom-Okular:         15- bis 50-fach

Eine ganz wesentliche Größe, die im Zuge der Anschaffung eines Fernglases oftmals zu wenig Beachtung findet, ist die sogenannte Austrittspupille. Ihre Größenordnung liegt tatsächlich im Bereich der Augenpupille, dazu später mehr.

Wer sein Fernglas in der Regel am Tage benutzen möchte, braucht gewiss keinen schweren, voluminösen „Militär-Standard“ (8×30), sondern kommt mit einem deutlich leichteren, handlicheren Gerät über die Runden. Schon im Jahre 1969 brachte die Firma Zeiss ein Fernglas der Größe 8×20 und einer Austrittspupille von 2,5 mm heraus, das schon damals gerade mal gut 100 g wog. Doch jetzt ist der Zeitpunkt gekommen, da wir zunächst den prinzipiellen Aufbau des Fernglases betrachten wollen, um schließlich das ganze „Begriffs- und Zahlenkauderwelsch“ verstehen und einordnen zu können.

Prinzipieller Aufbau eines Fernglases

Hier spielen diese drei Komponenten die wesentlichen Rollen:

• Objektive
• Prismensysteme
• Okulare

Alle (reflektierten) Lichtstrahlen, die vom Beobachtungsobjekt ausgehen, treten zunächst in beide Objektive, die das Licht einsammeln, ein. Innerhalb des Fernglases werden die Lichtstrahlen durch Prismen umgeleitet und korrigiert, um schließlich durch die Okulare hindurch durch die menschliche Pupille auf die Netzhäute der Augen aufzutreffen, wo sie (sensorische) Nervenimpulse auslösen, die ins Gehirn übertragen werden.

Warum vergrößert ein Fernglas?

Was aus dieser Prinzipskizze noch nicht verständlich hervorgeht, ist eine Erklärung dafür, warum zum Beispiel die Objektivlinse, eine Sammellinse, überhaupt das Bild vergrößert. Wer sich nicht mehr so gut an die ersten Unterrichtsstunden der Physik, genauer gesagt Optik, erinnert, kann hier eine ganz schnelle Auffrischung erfahren.

Wenn ein Lichtstrahl in einem beliebigen Winkel auf Glas auftrifft, wird in den meisten Fällen ein Teil seiner Energie reflektiert, ein anderer Teil dringt in den Glaskörper ein, wird dabei aber etwas aus seiner ursprünglichen Orientierung abgelenkt. Diese Lichtbrechung ist eine direkte Folge der Tatsache, dass die Lichtgeschwindigkeit im Glas deutlich geringer ist als in der Luft. Dadurch kommt es zu einer Verzerrung beziehungsweise Verbiegung der Wellenfronten des Lichts (Huygenssches Prinzip). Der gleiche Effekt tritt wieder ein, wenn der Lichtstrahl auf der anderen Seite aus dem Glaskörper austritt.

Wer schon einmal einen relativ dicken Plexiglasquader auf ein beschriebenes Blatt Papier gelegt hat, dem wird der sogenannte Doppelbrechungseffekt aufgefallen sein, denn die Schrift erscheint durch den Glaskörper irritierend gedoppelt. Der Trick bei der Sammellinse liegt in ihrer bauchigen Form. Um dies zu verstehen, müssen wir uns zuerst ansehen, was mit dem Lichtweg durch ein Prisma hindurch passiert.

Das Bild versucht zu vermitteln, dass ein aus beliebiger Richtung kommender Lichtstrahl an der Grenzfläche zwischen den Medien Luft und Glas gebrochen wird, sowohl beim Eintritt in das Glas als auch wieder beim Austritt. Die Richtung, aus der das Licht kommt und wohin es dann weiter strebt, spielt hierbei keine Rolle, daher wurde bewusst auf Pfeile verzichtet.

Wie oben bereits erläutert, ist die Brechung eine Folge der unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten in Luft und Glas. Es gilt hier das sehr einfache geometrische Brechungsgesetz:

sin(a) / sin(b) = sin(d) / sin(g) = c / v_g

Die Lichtgeschwindigkeit in Luft entspricht fast der Lichtgeschwindigkeit c = 300.000 km/s im Weltraum. Die Lichtgeschwindigkeit im Glas v_g kann zuweilen nur 160.000 km/s betragen, was einen hohen Brechungsindex bedeutet.

Eine Sammellinse könnte man nun auffassen als eine Serie übereinander gestapelter Prismen, die die Lichtbrechung in einer ganz bestimmten Weise steuern. Deshalb kommt es sogar zu einem Brennpunkt, in dem sämtliche Lichtenergie, die von außen hereinkommt, in einem winzigen Punkt fokussiert werden kann. Dessen Abstand von der Mittelebene der Linse wird daher als Fokus bezeichnet. Wer hat nicht als Kind an einem sonnigen Tag mal versucht, Papierschnipsel mit einer Lupe (Brennglas) zu entzünden?

Wer die rechte Seite des Bildes etwas genauer betrachtet, versteht, warum und wo es durch eine Linse zu einer Bildumkehr kommt, durch die sowohl oben und unten als auch rechte und linke Seite vertauscht werden.

Natürlich ist keine Linse so eckig und kantig wie in dem Bild extra dargestellt. Ganz im Gegenteil, es muss bei der Herstellung sehr viel Mühe auf einen genauen, kontinuierlichen Schliff verwendet werden.

Was bedeutet die Bezeichnung bei einem Fernglas?

Sie bemerken selbst, dass diese und ähnliche Fragen, die Käufer immer wieder stellen, an dieser Stelle noch verfrüht sind, denn erst, wenn wirklich verstanden ist, wie durch das Fernglas eine Bildvergrößerung bewerkstelligt wird, ist es sinnvoll, auf die verschiedenen technischen Parameter des Fernglases näher einzugehen. Aus gutem Grund haben wir am Anfang behauptet, dass ein Fernglas im Prinzip auch ein Fernrohr ist. Wenn wir also verstehen, warum es uns das Fernrohr ermöglicht, die Mondoberfläche vergrößert wahrzunehmen, hat auch das Fernglas keine Geheimnisse mehr vor uns.

Der Strahlengang beim Kepler-Fernrohr