第一章望远镜基本原理

1望遠鏡基本原理1.1望遠鏡光學原理望遠鏡由物鏡和目鏡組成，接近景物的凸形透鏡或凹形反射鏡叫做物鏡，靠近眼睛那塊叫做目鏡。遠景物的光源視作平行光，根據光學原埋，平行光經過透鏡或球面凹形反射鏡便會聚焦在一點上，這就是焦點。焦點與物鏡距離就是焦距。再利用一塊比物鏡焦距短的凸透鏡或目鏡就可以把成像放大，這時觀察者覺得遠處景物被拉近，看得特別清楚。折射鏡是由一組透鏡組成，反射式則包括一塊鍍了反光金屬面的凹形球面鏡和把光源作90度反射的平面鏡。兩者的吸光率大致相同。折射和反射鏡各有優點，現分別討論。1.2折射和反射望遠鏡的選擇折射望遠鏡的優點1.影像穩定折射式望遠鏡鏡筒密封，避免了空氣對流現象。2.彗像差矯正利用不同的透鏡組合來矯正彗像差(Coma)。23.保養主鏡密封，不會被污濁空氣侵蝕，基本上不用保養。折射望遠鏡的缺點1.色差不同波長光波成像在焦點附近，所以望遠鏡出現彩色光環圍繞成像。矯正色差時要增加一塊不同折射率的透鏡，但矯正大口徑鏡就不容易。2.鏡筒長為了消除色差，設計望遠鏡時就要把焦距儘量增長，約主鏡口徑的十五倍，以六吋口徑計算，便是七呎半長，而且用起來又不方便，業餘製鏡者要造一座這樣長而穩定度高的腳架很是困難的一回事。3.價錢貴光線要穿過透鏡關係，所以要採用清晰度高，質地優良的玻璃，這樣價錢就貴許多。全部完成後的價錢也比同一口徑的反射鏡貴數倍至十數倍。反射望遠鏡的優點1.消色差任何可見光均聚焦於一點。2.鏡筒短通常鏡筒長度只有主鏡直徑八倍，所以比折射鏡筒約短兩倍。短的鏡筒操作力便，又容易製造穩定性高的腳架。3.價錢便宜3光線只在主鏡表面反射，製鏡者可以購買較經濟的普通玻璃去製造反射鏡的主要部份。反射望遠鏡缺點1.遮光對角鏡放置在主鏡前，把部份入射光線遮掉，而對角鏡支架又產生繞射，三支架或四支架的便形成六條或四條由光星發射出來的光線。可以利用焦比八至十的設計減低遮光率。2.影像不穩定開放式的鏡筒往往產生對流現象，很難完滿地解決問題。所以在高倍看行星表面精細部份時便顯出不容易了。3.主鏡變形溫度變化和機械因素，使主鏡變形，焦點也跟改變，形成球面差，球面差就是主鏡旁邊緣和近光軸的平行光線聚焦於不同地方，但小口徑鏡不成問題。4.保養鍍上主鏡表面的鋁或銀，受空氣污染影響，要半年再鍍一次。不過一塊良好的真空電鍍鏡面可維持數年之久。折射望遠鏡由二塊透鏡組成，總共要磨四邊光學面，反射望遠鏡只需要磨一邊光學面，所以製造反射式望遠鏡花費較少時間。技術精良的話，一副自製的六吋口徑反射望遠鏡質素隨時超過市面出售的三吋折射望遠鏡。至於選擇何種類形的望遠鏡則視乎個別天文愛好者的需要和喜愛而定。通常一枝四吋以下的折射望遠鏡已足夠作普通觀測研究的用途。若果興趣是觀察行星或雙星，便應該設計八吋口徑而放大倍數高的反射望遠鏡，因為如此大口徑的折射鏡十分難製造，價錢非常昂貴，而且又非常笨重。從經濟和難度考慮，初學者最適宜自製反射式望遠鏡。1.3反射望遠鏡的設計反射望遠鏡有數種設計，現在只談談結構簡單的牛頓式。牛頓式望遠鏡最主要的結構是一塊鍍上反射物質的球面或拋物面玻璃。球面鏡作用是把星星來的平行光反射聚焦一點，然後靠一塊細小光學平面鏡放置於焦點前，把光作90度角的反射至望遠鏡筒的邊緣，再由一塊凸透鏡將形像放大，便獲得普通望遠鏡應有之效果。不過球面鏡中心和旁邊的反射角不同，故此成像並4不完全聚焦於同一點上，而形成球面差；但拋物面郤可矯正這缺點，使離開光軸較遠的光線也可以同時聚於焦點上，因此實際上牛頓式望遠鏡主鏡乃拋物線面。球面差拋物面球面差拋物面設計望遠鏡時要考慮到它的實際用途，我們是用來觀察抑或是攝影的，我們要求的放大倍數等等，這便要介紹一下影響望遠鏡用途的各種因素。5望远镜的分类和基本原理常见望远镜可简单分为伽利略望远镜，开普勒望远镜，和牛顿式望远镜。伽利略发明的望远镜在人类认识自然的历史中占有重要地位。它由一个凹透镜（目镜）和一个凸透镜（物镜）构成。其优点是结构简单，能直接成正像。但自从开普勒望远镜发明后此种结构已不被专业级的望远镜采用，而多被玩具级的望远镜采用，所以又被称做观剧镜。开普勒望远镜：原理由两个凸透镜构成。由于两者之间有一个实像，可方便的安装分划板，并且各种性能优良，所以目前军用望远镜，小型天文望远镜等专业级的望远镜都采用此种结构。但这种结构成像是倒立的，所以要在中间增加正像系统。正像系统分为两类：棱镜正像系统和透镜正像系统。我们常见的前宽后窄的典型双筒望远镜既采用了双直角棱镜正像系统。这种系统的优点是在正像的同时将光轴两次折叠，从而大大减小了望远镜的体积和重量。透镜正像系统采用一组复杂的透镜来将像倒转，成本较高，但俄罗斯20×50三节伸缩古典型单筒望远镜既采用设计精良的透镜正像系统。牛顿发明的反射式望远镜多为大型座镜采用，在此不再赘述。6望远镜的主观亮度我们的眼睛能感受到发光点的存在，必须接受一定的光通量。当物体的亮度一定时，观察距离和物镜口径成正比。因此，为了观察到更远的物体，要求采用更大口径的望远镜。同样望远镜的口径越大，物体的亮度就可以越小。因此，使用大口径的望远镜能观察到更昏暗的景物。需要指出的是，放大倍率越大，单位面积上的光通量越小，而过于昏暗的成像则失去了观测价值，所以这也是制约倍率的一个因素。另外，影响观测效果的另一因素是散射光。一些劣质望远镜为了误导消费者，竟将镜筒内壁涂成红色，这违反了最基本的光学常识，在镜筒内产生反射杂光，这样的望远镜观测景物就如同白天看电视一样。而正规望远镜镜筒内壁无一例外涂以黑色的吸光材料。大家最关心的问题--放大倍率由于大众对望远镜的专业知识缺乏了解，往往盲目崇拜更高的放大倍率，于是一些劣质产品故意将倍率标注为几百倍甚至上千倍来误导消费者。其实衡量望远镜威力的指标是通光口径，例如提到世界著名的天文望远镜人们往往说口径几米，而不说几倍。因为我们的眼睛不可能看清成像比视网膜的视神经细胞更小的东西，根据计算人眼的视角分辨率为60″。在一定的物镜口径下，无限的增大视7放大率也不会看到更多的细节，是没有意义的。按照瑞利准则：望远镜的分辨率与通光口径成正比，由此推算出望远镜的口径如果是60厘米正常放大倍率应该是23倍。如果放大倍率高于正常倍率，不会提高分辨本领。通过综合考虑，望远镜的倍率可以等于通光口径（厘米）。而有经验的人都知道，放大倍率超过20倍的望远镜很难手持无依托观测，因为你甚至能感觉到被放大的自己的心跳产生的抖动。而那些劣质望远镜的实际放大倍率一般不超过六倍。目前世界各国军队装备的望远镜的流行倍率则为七倍。简单说来，望远镜的视放大率等于物镜焦距和目镜焦距之比。但需要指出的是，我们的眼睛不可能看清成像比视神经细胞更小的景物，而人眼的视角分辨率为60。在一定的物镜口径条件下，望远镜的衍射分辨率一定，单纯增加视放大率也不会看清更多细节，只会降低主观亮度，所以是没有意义的。事实上，望远镜的各个参数不是孤立的，而是互相约束的，所谓鱼与熊掌不可兼得，由于涉及复杂的专业计算，在此不再赘述。如何看望远镜的正规参数标示1.8x30：——8就是俗称的放大倍率，指的是物体通过望远镜后在视网膜上成像的角放大率。30——物镜的直径，单位是毫米。这是望远镜最主要的指标，假货为了迎合大众追求高倍的心理，大多在这里做文章，例如300x80这样违背基本光学原理的标注；还有的标为8x21倍，这算是比较老实的，但也显然意图进行误导。2.114/1000——俗称千米视界。指的是1000米远处望远镜视野的宽度为114米。假冒产品由于降低成本的需求使用了较小的棱镜，然后在光路内加了光阑，故这个参数不能达到应有的水平。事实上较小的视野还能给人以高倍的错觉，这也是造假者的目的之一。3.-40°C……50°C：望远镜的使用温度。俄罗斯天气寒冷，所以这个指标的要求较高8