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天文望远镜的选择

(2004年02月09日 20:38:55)

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天文望远镜的选择
市面上有那么多不同型号设计的望远镜及经纬仪,究竟如何选择合用的组合14对大部份的业余天文爱好者而言,价钱或是最大的考虑。但「廉价」之选,也有很多选择。即使读者是极少数像笔者那样幸福,有多台大小设计不一的望远镜可用,亦要就观测目标、环境及天气状况而选择合适的望远镜15。
一般而言,望远镜口径愈大愈好。这除了上述的集光能力外,还有解像能力的考虑。一台望远镜的解像能力受多个因素影响,包括大气稳定度、望远镜光学质素及口径等。即使一台望远镜光学完美,其解像力亦受口径所限。这是因为入射光进入镜筒时有绕射 (diffraction) 现象,导至星光出现相互干涉,即使是一点的光源亦投影出明暗相间的同心圆影像。理论上,这做成的解像限制以弧秒计算是 5.7 除以望远镜口径 (英吋)。例如说,八吋口径的望远镜理论分析能力 (resolving power) 约为 5.7/8,即 0.7 秒。若两颗星分隔少于此数,二光点在这台望远镜的成像将重迭。望远镜口径愈大,分析力愈高。若分析力不够高,却强行用高倍放大影像,后果当然是模糊一片。所以分析力愈高,可用的放大倍数亦愈大了。一台望远镜的最高可用放大倍数,约为口径 (英吋) 乘以六十。八吋口径的望远镜,若把影像放大到四百多倍,影像质素便很差了。
不过,以上的讨论只考虑望远镜本身的限制,而实际使用上,往往大气及环境的影响更大。由于大气常有气流扰动,星光会闪烁及跳动,本来是一个光点的影像便会分散成为一个圆盘。这个圆盘的大小随着地点、时间而改变。天文学家以像清晰度 (seeing) 来描述大气的稳定程度,而它往往才是限制观测分析能力的最重要因素。事实上,世界上像清晰度优于一弧秒的地方很少,而香港典型的像清晰度只有二至三秒。所以无论望远镜口径多大,可用的放大倍数很难高于二、三百倍。所以一般使用而言,若望远镜口径达六吋以上,分析力已不会再有明显差别。再者,只有光学质素完美的系统才能达到理论分析力。真正望远镜质素当然很参差,而口径愈大就愈易有瑕疵,严重降低影像质素。反射及折反射式都因主镜前有副镜等阻挡入射光,增加光线的散射及绕射,令影像的对比及清晰度都不及折射镜16。
望远镜的物镜焦距,亦影响观测效果。焦距长短直接控制放大倍数及视野角度。长焦距 (f/10 或以上) 方便高倍,但视野狭窄,而短焦距则适合广角观测。前者切合行星观赏,而后者长于深空及星野观测。折反式望远镜焦距一般比较长 (f/10 左右),近年流行的马苏托 - 卡塞格林式 (Maksutov-Cassegrain,图二十七) 折反镜往往达 f/15 左右。据称行星观测效果比美 APO 折射镜。短焦镜则多为牛顿式或折射式,如 f/4-5 等 (图二十八)。当然,我们亦可以用巴洛镜及缩焦镜增减有效焦距。但一般而言,每增加一件透镜,影像质素便愈差。

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图二十七: 六吋 f/12 马苏托 - 卡塞格林式折反射望远镜 -「傻女」。

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图二十八: 四吋 f/5.4 APO 折射望远镜 -「小小白」及德式赤道仪。


另一个重要考虑是使用时的方便程度。望远镜口径愈大。体积及重量均会愈大,对支撑系统的要求亦愈高。十吋以上的望远镜已难一个人抬得动。要很辛苦才能安装的望远镜,一定是使用最少的。它分析力多高,也没有意义。而且主镜愈大,冷却时间愈长17,即是说晚上安装好望远镜后可能要等候很久才能开始观测。可能付出大量金钱,只换来一件常设「家具」。反不及口径小、焦距短、轻便的望远镜了。
笔者和友人曾经比较一台六吋 f/7 APO 折射 (「小天」,图二十九) 和十吋 f/6 折反射望远镜 (「深蓝」,图二十五)。数字上,「深蓝」的影像比「小天」亮三倍,分析力差不多高一倍,将两者作比较好像不公平,但结果却是「小天」大胜!在观测行星时,「小天」明显地较为优胜。令人惊讶的是,当放大到五百倍时,「小天」的影像仍保持清晰稳定,如土星的恩格缝 (Encke gap) 都清楚可见。这明显已超越上述一般的可用放大倍数极限。相反十吋折反虽然口径大了,但到五百倍放大时影像质素已很差。行星较光亮,故未能突显大口径望远镜的优势。但即使是一些星云,如猎户座大星云等,折射镜的成像亦较好,细致度远胜折反镜。「小天」的表现,由十倍至五百倍放大都令人满意,影像外围既能保持清晰,扭曲也甚少,所以在低倍广角观测时亦大胜「深蓝」。

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图二十九: 六吋 f/7 APO 折射望远镜 -「小天」,及德式赤道仪。


不能不提另一类常用的望远镜 - 双筒镜 (图三十)。双筒镜是折射式短焦设计,一般口径不大,通常以放大倍数及口径标记。例如最常见的 8x50 双筒镜,放大倍数为八,两块主透镜口径均为五十毫米。双筒镜的优点是轻便、视野广阔、以及可以双眼同时观看影像,感觉自然好得多。缺点是只适合目视观测、不能改变放大倍数、及口径较小。很多广阔壮丽的星体,如彗星、疏散星团、银河等,都适宜以双筒望远镜观赏18。一些天文爱好者就喜欢用大型双筒望远镜作大范围星野扫瞄。一些著名的彗星,如百武彗星,就是靠这方法发现的。选择双筒望远镜切忌以为放大倍数及口径愈大愈好。一般使用时以人手承托,口径愈大,望远镜便愈重,轻微震动在所难免,高放大倍数更使影像飘浮不定。流行的 8x50 已是很好的配搭。当然读者亦可用脚架承托,那便可以用大口径双筒镜 (图三十一),但携带的方便性便要大打折扣了。类似双筒镜功能的,还可以考虑一些质优小口径望远镜。例如近年非常流行的七十毫米口径 f/6.4 小折射镜 (图三十二),小巧精致,视野广阔,长度和一本书差不多,若要长焦作行星观测,可考虑小型马苏托克 - 卡塞格林式 (图三十三)。这些小型望远镜只需用轻便的照相机脚架支撑,即使一个人去野外观星,携带亦没有问题。所费几千元,实是极佳实用选择。

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图三十: 9x63 双筒望远镜。


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图三十一: 笔者至爱的双筒望远镜 -「阿银」,可选择 12x100 或 30x100。


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图三十二: 笔者至爱的轻便型望远镜,口径七十毫米 f/6.4 折射镜。


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图三十三: 小型马苏托克 - 卡塞格林折反式九十毫米 f/13.8 望远镜。


在选择望远镜时,亦应考虑以下两点。首先当然是影像的光学质素。这可作一简易测试:对准一颗不太暗不太光的恒星,对好焦后留意有没有色差及像差、光点是否圆实幼细等,并观察目镜边缘星像的扭曲是否严重。接着把焦距改变,星光点便会分散为很多同心的光暗圆环,称为绕射环 (diffraction rings)。注意这些绕射环是否对称及分隔均匀,光学系统问题19可从绕射环的形态得知 (图三十四)。做这个测试时亦应从聚焦点开始,左右扭动聚焦器作比较,看绕射环的大小是否对称。其次是望远镜聚焦器 (focuser) 的质素。若有兴趣天文摄影,这就更加重要。现时流行的电荷耦合器 (CCD camera,图三十五)20 一般都比较重,对经纬仪及聚焦器要求甚高。我建议最好选用两吋口径或以上的聚焦器。平价的望远镜可能镜质不错,但因为其它附件太差而不能胜任拍摄工作。

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图三十四: 六吋镜之绕射环,自左起:完美的,有彗形像差,球面像差,及散光的情形。


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图三十五: 天文用冷冻式 CCD 及自动滤镜轮。
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