Telescópios aproximam o que está longe. Seja em terrenos de caça, em alto-mar ou em observatórios astronômicos, os mesmos princípios ópticos básicos se aplicam a todos os telescópios. Telescópios que utilizam apenas lentes são chamados de telescópios refrativos, pois a forma como uma lente curva a luz é chamada de refração. Um telescópio refrativo possui uma lente objetiva de diâmetro relativamente grande para coletar a luz, seguida por uma lente secundária menor ou ocular. Existem alguns tipos diferentes de telescópios refratores, distinguidos pelo tipo de ocular que utilizam.
Todas as lentes objetivas compartilham algumas características básicas. O verdadeiro poder de um telescópio reside em sua capacidade de coletar luz, o que está relacionado ao diâmetro da lente objetiva, por isso todas têm diâmetro relativamente grande. Em segundo lugar, todas as lentes objetivas são lentes convergentes com distância focal relativamente longa. A distância focal é a distância da lente ao plano onde ela formará a imagem de um objeto muito distante, como uma estrela. Uma distância focal mais curta significaria que a lente precisaria curvar mais, e quanto mais uma lente curva, mais erros se infiltram no sistema. Portanto, as lentes objetivas são lentes grandes, de longa distância focal.
Quando observou as luas de Júpiter e as fases de Vênus, Galileu usou uma lente divergente como lente secundária ou ocular. Uma lente divergente não foca a luz de uma estrela distante em um ponto. Em vez disso, ela espalha a luz. Isso pode não parecer muito útil, mas quando a lente divergente correta é colocada atrás de uma lente objetiva, ela pega a luz que está convergindo — focando em um ponto — e a espalha o suficiente para endireitá-la, permitindo que o olho do observador veja objetos distantes. É assim que funcionava o telescópio de Galileu, por isso telescópios com esse design são chamados de galileanos.
Johannes Kepler usou uma lente secundária diferente; ele usou uma lente convergente. Uma lente convergente pega a luz distante e a foca em um ponto, mas também funciona ao contrário. Ou seja, se a luz é focada em um ponto, uma lente convergente a endireitará como se estivesse indo em direção a um ponto muito distante. Kepler descobriu que uma lente convergente poderia funcionar como ocular se fosse configurada para olhar para o ponto de luz focado pela lente objetiva. Assim, a lente objetiva foca a luz em um ponto a uma distância focal de distância. Então, a lente secundária, colocada a sua própria distância focal desse ponto, resulta em luz endireitada para o observador ver objetos distantes.
Os telescópios galileano e kepleriano têm cada um suas vantagens, e Peter Barlow descobriu como combiná-los para obter o melhor dos dois mundos. Uma lente Barlow é uma lente divergente que possui características de uma lente objetiva e de uma ocular convergente. A lente Barlow faz o feixe convergente da lente objetiva se espalhar um pouco, para que não foque tão rapidamente. Isso faz a objetiva parecer como se tivesse uma distância focal maior. A lente Barlow é construída em um tubo, porque a ocular convergente precisa ser movida um pouco mais para longe para apontar para o novo ponto focal. Lentes Barlow têm o efeito de aumentar a ampliação do telescópio sem modificar a objetiva, a ocular ou o tubo do telescópio.
Lentes têm um problema. Luz de cores diferentes é curvada de forma ligeiramente diferente. Isso acaba borrando a imagem; quando a luz azul, por exemplo, é focada nitidamente, a luz vermelha e amarela ficará espalhada. Para minimizar esse problema, as lentes são feitas de duas ou mais peças de vidro unidas. Diferentes tipos de vidro curvam a luz de forma diferente, então o problema do desfoque de cor — chamado aberração cromática — pode ser mantido pequeno com lentes compostas sofisticadas, chamadas acromáticas. Qualquer uma das lentes em um telescópio pode ser substituída por acromáticas, o que quase sempre resulta em um telescópio mais preciso.
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