新闻 天象 科普 器材 图库 交流 科幻 探索 星语 论坛 维基天文 下载
星友空间站 > 信息 > 天文器材 > 天文望远镜 > 天文望远镜光学与机械
现在时间: 2017年10月21日 11:19:58
天文望远镜光学与机械

(2004年06月04日 20:24:42)

□作者:

[1]



天文望远镜光学与机械

 

天文望远镜光学与机械

望远镜的光学系统比起摄影器材可说是十分阳春。尽管如此,制造商也罕有以制作相机镜头的标准来改良天文望远镜。一个廉价的相机镜头会有多达十片以上精密镀膜的透镜。为什么望远镜主镜能有三片式的消色差镜片组就已经属于最高级的质量了?

此外,望远镜的光学系统有折射式与反射式的基本区别。折射式望远镜的镜片材质与构造,以及反射镜的反射镜面采取球面镜或是抛物面镜在理论上的优劣情形?目前天文望远镜市场上的最爱还是颇为昂贵折射式望远镜,其次反射式望远镜。除了它们之间的光学系统相异之外,是否有其独特的使用目的呢?

许多人希望买来的光学器材能增加休闲生活的质量,因此除了用于天文观测之外,同时亦希望能用于地面观测(如赏鸟、看风景 ...等)。如果是这样盘算的话,如何量身打造你的设备需求呢?买怎样规格的望远镜是最为实用。

除了优良的光学系统之外,天文望远镜的架台一点可不能忽视。众多的赤道仪与附属设备提供我们使用,因此我们必须了解这些设备的利弊。以免买了昂贵却不易使用的设备,或是需要花很多时间来学习才能上手的苦恼设备。毕竟天文望远镜在台湾不是十分普及的私人装备,很难获得实时的信息与技术上的讨论。此外,天文相关的专业书籍也十分贫乏。

 

光学

像差的种类  参阅 几何光学进阶

为了方便说明像差的成因,我们仅以平行的入射光来探讨他们在几何光学上的差异。其实天文观测的目标都是遥远的星体,基本上也符合平行光的假设。

球面像差(对称的像差):当沿着光轴的平行入射光不能完全聚焦时,我们称为「球面像差」。

  透镜的球面像差

反射镜的球面像差

彗形像差(不对称的像差):倾斜于光轴的平行入射光无法完全聚焦的情况,我们称为「彗形像差」。

色像差:若是不同的颜色光线有不同的聚焦点,我们称为「色像差」。通常红色光的焦距比蓝光大一些。 

弯曲的像场:即使光学系统能完美地聚焦,但是却常发生它们的聚焦平面与我们希望的成像平面不一致。因此透镜会有bending的设计。

   

Astigmatism:因为物体经由透镜成像时,常会发生X轴与Y轴的聚焦点不一致。

变形:基本上变形的发生不能看似完全的像差。它并不是因为影像的聚焦不良所致,相反的它是清晰的成像,但是却发生与原来的物体的外型不一致。

 

最完美的成像:抛物面镜

数学上的定义: y2 4 Fx         F:镜面焦距长度

镜面特色:平行光轴的入射光线可以完美聚焦于焦点。同时因为是反射面成像,所以没有任何色像差。若是采用抛物面来作为天文望远镜的主镜是一个非常好的选择。不但能兼顾光学系统的重量与成像质量。很可惜的,若是非平行的入射光沿着主轴进来,会有对称的「球面像差」。若是平行入射光倾斜于主轴,会有不对称的「彗形像差」产生。因此抛物面镜最适合于长焦距的天文望远镜,而不适合于地面景物的观测。

不过抛物面的镜面不易制造,必须藉由许多球面镜的研磨方式逐渐逼近抛物面的曲度,因此价格自然也较为高昂。以一个口径8吋、 F/4镜面而言,中间的镜面与球面镜差距其实是非常微小的,只有数个波长之差。虽然这只是微小的差别,却可以改善影像的质量甚多。

为了获得高精度的抛物面,必须透过多次球面研磨。

   

由于抛物面镜是经过多次球面镜的研磨而成,因此抛物面镜可以看成是多个球面镜所构成。利用这个光学特性,可以成为检测抛物面镜的一个简易的方法,我们称为「刀口测试」。参阅 镜片焦距检测

结语:反射镜的制作成本比折射镜低廉非常多,因此大口镜的望远镜几乎都采用抛物面镜。若是用途仅止于天文摄影,采购该型望远镜算是不错的选择。尤其在星团与星云的拍摄,超大口径的抛物面镜几乎是唯一的选择。

 

没有彗形像差:球面镜

数学上的定义: y2 4 F2 x2         F:镜面焦距长度(R2F

 

 

 

 

球面镜特色:球面镜的几何对称,因此沿着光轴或倾斜光轴的平行入射光都具有相同的「球面像差」。不过没有「彗形像差」则是它的优点。由于球面镜的制作成本低廉,因此大都制造成极大的口径来获得它的优势。不过同样属于反射镜的抛物面镜,因为镜面中间的完美成像质量,已经逐渐取代球面镜。

 

具有弹性的呈像矫正:折射镜

因为折射镜是由多个透镜组成,透镜的每一面都是球面镜。目前因为镜片的研磨技术进步,少数的镜片也能制造成非球面镜。为了能够消除「像差」与「色像差」,因此镜片的材质非常重要。一般由两片镜片构成的镜片组,我们称为「Achromatic」。若是由三片组成的高级镜片组则称为「APO」。参阅 几何光学进阶

透镜的研磨成本高昂,加上镜片组的重量,因此非常不适合用于大口径的天文望远镜。不过由于折射镜可以透过不同材质与曲度的镜片搭配来消除色、像差,所以可以同时用于天文观测与地面景物观看等用途,算是一个全方位的望远镜。坊间许多称为「萤石镜」或是「ED镜」,是因为镜片组的第一片镜片采用高折射率、低色散的镜片制造,而第二片仍须使用高色散的镜片。一般的光学玻璃都是高折射率,同时也具有高色散的情形,所以「萤石镜」或是「ED镜」就显得珍贵了。由于天文望远镜的入射光几乎都是平行光(遥远的恒星),同时视野狭窄(高倍率),因此只要三片式透镜的主镜就已经十分足够了。当然若想用于地面观看,效果必须打一点折扣!

结语:若是你想添购一只可以用于地面景物观看,同时又想进行天文观测。那折射式望远镜是你的首选。通常主镜需要三片式的透镜才算是高级望远镜,二片式的主镜大都用于 8公分以下的小口径天文望远镜。若非使用「萤石镜」或是「ED镜」,可能必须忍受极明显的色像差。

 

光学系统

请参考网页 望远镜几何光学概说   反射式天文望远镜光学系统

在简易的反射式天文望远镜(牛顿式望远镜),由于安置斜镜之故,常会造成星光成 +字形。

 

彗形像差会发生在影像的边缘,它的形状会呈现椭圆形。若是所有星点都呈现椭圆形,那表示望远镜追踪摄影的误差,而非像差。

 

反射式望远镜的大口径优势,可以让暗星体完全呈现。这绝非一般的折射式望远镜所能达到。因此反射镜是星云摄影的必须工具。目前几乎所有的大型天文台都使用反射式望远镜来掠取最暗的星体,作为研究之用。

 

 

折射式望远镜会有明显的色差发生。为了避免小小的色差,往往必须付出高额的代价。

 

高价格且成像良好的折射式天文望远镜非常适合拍摄高倍率的星野摄影。

 

望远镜的架台

经纬台

使用天文望远镜来观看,影像大都经过数十倍的放大,因此轻微的摇动就会产生模糊的影像。尤其对于想要从事摄影的使用者而言,坚固的架台是必须具备的条件。

若是你的小型望远镜是为了携带方便,同时可提供地面观测的乐趣,这些望远镜大都搭配简易的地平经纬台。地平经纬台只能做水平与垂直的转动,除非能有精密的计算机作为辅助,否则不容易用于星体运动的追踪。目前人造卫星的观测,以及大型的望远镜都会采用地平经纬台。

简易的经纬台

 

人造卫星观测

由于人造卫星的运动轨迹快速而且与恒星的运动不同,因此地平经纬台使用起来比较方便。

 

大型的经纬台:叉式赤道仪

因为大型望远镜的重量之故,叉式赤道仪(经纬台)是很有效率的架台。

  

 

缺点

因为天文观测时,必须藉由双轴的运动来达到位置修正,因此控制系统较为复杂。所以这类望远镜往往需要搭配复杂的计算机控制系统一起售出。

由于架台无法以天球北极为参考点,而采用天球北方为参考点。所以架台的初始方为校正颇为困难,必须藉由多颗恒星的数学计算来定向。使用者必须具备较多的天文知识。

若是利用经纬台进行天体摄影时,影像会有「像场旋转」的现象。必须提供附属设备来矫正这个情形。

 

赤道仪

此外若是你想进行天体摄影,望远镜本身必须随着星体的移动也同步跟着转动。所以望远镜必须置于能够控制精密转动的架台之上。这种较为专业的架台的结构有许多种类,它们会因为实际的需求而有所改变。至于赤道仪的原理与细节可以参考 其它网页 上的论述。

德式赤道仪

坊间最常用的赤道仪,控制容易而且结构简单、牢固。利用极轴望远镜快速完成赤道仪的定向,同时使用单轴马达即可进行星体的追踪。在天文摄影时不会有「像场旋转」的困扰。唯一的缺点是,为了动态平衡,望远镜必须搭配几乎与镜筒等重的重锤,徒增架台的负担。所以大型的望远镜无法采用此种架台。如果望远镜的极轴对不正天球北极的话,则会有「像场旋转」发生。

 

库德式赤道仪

大致虽然具有上述德式赤道仪的有缺点。为一不同的是,透过额外的两个旋转斜镜设计,可以让望远镜的目镜保持不动。这种设计对于大型望远镜架设其它科学设备十分便利。所以有许多小型的天文台会采用这种赤道仪以方便作业。当然它必须付出「像场旋转」的代价。虽然库德式望远镜只是光学系统上的变异设计,但是它却牵涉到整个赤道仪的机构设计,因此我们在此特别说明。目前台北市立天文馆第二观测室的望远镜是由日商GOTO所制造的库德式望远镜。

 

 

Q A

用很大的倍率来观看恒星,结果会怎样?

由于恒星的视角很小,所以即使你用数百倍率来观察恒星,它的影像仍然小的像针点一样。换句话说,若是用望远镜看恒星,像点越小表示其光学质量越好。因此利用恒星的成像点可以作为检测望远镜的光学质量。通常利用摄影的方式记录恒星时,恒星的像点不若针点般细小的成因:(1)空气造成星光的绕射,它的亮度从中心往外以常态分布(Normal Distribition)衰减(2)光学质量欠佳,有可能是像差或是色差引起(3)望远镜的高倍率影像造成镜筒产生绕射的现象,只要使用低倍率的影像就能解决这个问题。当然所谓的高低倍率是相对的,一般使用的适合倍率约为主镜的口径(公分)的15倍以下。 var yviContents='http://tw.adserver.yahoo.com/a?f=152955059&p=tw_kfreeho&l=NE&c=sr'; yviR='tw'; yfiEA(0);



转载文章请首先阅读有关转载说明


文章作者:
责任编辑:skylook

[1]
上一篇:折反射式天文望远镜
下一篇:星座盘的使用
相关信息:

文章评论:
  1. ( - )
标题: (可选)
内容:
验证: --输入图片中的字母/数字,点击图片刷新.
系统菜单

热点信息

站内搜索
关键字:
包含:
搜索于:

系统登录
昵 称:
密 码:
 [取回密码]

企业合作