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标 题: 天文望远镜的光学系统[转]
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标 题: 天文望远镜的光学系统[转]
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天文望远镜的光学系统
摘自《天文摄影与望远镜使用》 作者:卢保罗 蓝松竹 张元东 扫描整理 覃 育
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天文光学望远镜是观测天体的重要仪器之一。望远镜的作用就是放大远处物体的张角,
使人眼能看清角距更小的细节。望远镜的另一个作用是把物镜收集到的比 字本 (最
大约8mm)粗得多的光束,送入人眼。使观测者能看到原来看不到的暗弱物体。
望远镜由物镜和目镜两组镜头及其他配件组成。通常按照物镜的种类,将望远镜的光学
系统分为三类:折射系统、反射系统及折反射系统。
一、折射系统
用透镜将光线会聚的系统就是折射系统。早期的折射系统用一块单透镜制作,由于玻璃
对不同颜色的光的折射率不同,会产生严重的色差。为了克服色差引起的成像模糊,用
不同折射率的玻璃可搭配成各种消色差的折射系统。常见的有双胶合物镜、双分离物镜
、三分离物镜等,分述于下:
1、双胶合物镜
这是一种常用的消色差望远物镜,用不同折射率的冕牌玻璃和火石玻璃搭配而成,当合
理选配时可同时校正球差,色差及正弦差。但由于热胶合会产生玻璃变形而影响精度,
一般口径不宜超过80mm。自从有了紫外固化冷胶后,胶合透镜的口径大大增大。南京天
文仪器研制中心的KP150SR,口径为150mm,为冷胶双胶合透镜,成像质量颇为理想。但
由于这种物镜不能校正轴外像差,视场角不宜太大,相对孔径也不宜过大。双胶合物镜
不能校正二级光谱,其值与焦距成正比,是个定值。只有用特种火石玻璃做负透镜时,
二级光谱可减少三分之一(例如ED镜头)。如果莹石玻璃作正透镜,二级光谱可以再降
低六分之一。
2、双分离物镜
用于口径较大的望远镜物镜。由于可以利用正负透镜之间的间隙设计,使带球差有所降
低,但色球差依然不能校正,二级光谱反而有所增大,其他像差校正与双胶合透镜雷同
。但装备稍困难一些,对物镜框的要求高一些。南京天文仪器研制中心的KP200R物镜即
为双分离物镜。
3、三分离物镜
由于可以任意选择镜面的曲率半径、透镜材料、透镜厚度及相互间隙,可以有利地校正
色球差。在相对孔径很小时,如果玻璃选择合适,是可以消除二级光谱的,我们将此类
物镜称之为复消色差物镜。三合透镜也可设计成天体照相物镜。
4、四片以上的物镜
为了获得大口径、大相对孔径的透镜系统,满足拍摄和观测大视场天体的需要,可以设
计不同组合的折射式天体照相物镜系统。南京天文仪器研制中心的KPl50P及KP80P分别是
口径为150mm及80mm的照相物镜。特别是KPl50P(见下图),为了消除残余球差将第五面
修成非球面,60视场像质优良(相对孔径1/4.5)
但是,由于天体照相物镜的材料及制作费用都十分高,因此价格也十分可观。
以上折射系统仅是几种例子,根据使用者不同要求,还可有多种设计,像质也可十分优
良
二、反射系统
反射望远镜在天文望远镜中应用十分广泛。由于这种系统对 A 材料在光学性能上没有
特殊要求,光线不需透过材料本身,而重量较轻无色差又是反射镜的一大优点,因此大
口径的望远镜都采用反射式。但是反射物镜表面精度对光程的影响是双倍的,如果仅由
一个反射表面来成像,则此表面所需的精确度(垂直入射光)比单个折射表面的精确度
要高四倍。可见反射表面磨制的要求是很高的。再加上需经常重新镀反射面及部件组装
、校正的困难,反射系统在科普望远镜中应用受到限制。
反射望远镜中常用的有牛顿系统、卡塞格林系统、格雷果里系统、折轴系统,等等。现
代的大型反射望远镜,大都通过镜面的变换,在同一个望远镜上得到不同的系统,以用
于不同的观测项B。下面分别介绍常用的几种系统。
1、牛顿系统
牛顿系统是反射系统中最简单的光学系统(见下图)。为了消去球差,主镜一般制成抛
物面。但当相对孔径减小到1/12以下,主镜可制作为球面。它的结构简单,磨制比较容
易,成本低廉。国内外爱好者自制的天文望远镜大多采用此系统。但由于轴外像差较大
,视场不宜做得过大,且眼望方向与镜筒指向方向不一致,使观测者寻星较为困难。但
是,相对孔径较大的抛物面牛顿系统,往往被采用作为口径较大的物镜系统,其像质优
良,光力强对拍摄视场不大的视面天体十分合用。
2、经典卡塞格林系统及R-C系统
经典卡塞格林系统的主镜为抛物面,副镜为双曲面(见下图),而R-C系统主镜为双曲面
,副镜也是双曲面。此二类系统在大望远镜制作中经常使用,光学质量甚佳。由于主副
镜均为非球面,加工难度甚大,制作成本高昂,再加上视场角较小,所以科普天文望远
镜中不常用。南京天文仪器研制中心的KP400K采用卡塞格林系统。
3、格雷高里系统
这个系统也是由二个反射面组成(见下图),主镜仍为抛物面;而副镜为椭球面。此系
统形成正立像,其镜筒比卡塞格林及R-C系统的长一些。
在反射望远镜中,有时会设计成多个焦点,用以产生不同的相对孔径、视场角及焦距。
在大型望远镜设计中,在一个镜筒中分别留有主焦点、卡焦及折轴焦点。而在科普仪器
中将卡焦与牛顿焦点并存,对使用者大有益处。例如南京天文仪器研制中心的KP350KⅣ
型反射望远镜中,巧妙地用装插45。反射镜来切换卡焦和牛顿焦点,从而使相对孔径分
别为1/12和1/4.2,拓宽了望远镜的应用范围。
三、折反射望远镜
此系统便于校正轴外像差,以球面镜为基础,加入适当的折射元件,用来校正球差,得
以取得良好的光学质量。应用最广泛的有施密特望远镜与马克苏托夫望远镜两类。
1、施密特系统及施密特-卡塞格林系统
施密特系统由球面反射镜和施密特正镜组成(见下图),改正镜是一个透射元件(也有
反射式施密特),其中一面是平面,另一面是非球面。非球面的面形能够使中央的光束
略有会聚,而边缘的光束略有发散,这样能使整个系统的球差得到很好的校正,且主镜
不产生彗差、像散和畸变,而仅有场曲。专业望远镜往往把接收器制成球面而得以消除
场曲,它的大视场、优像质,在专业天文望远镜中得以青睐。
但是,施密特系统不能用于目视,在科普天文望远镜中甚少应用。
将施密特系统稍加改型,加一球面反射镜使成像在卡焦上,此系统即为施密特-卡塞格林
系统。这种系统在科普望远镜中应用很多。南京天文仪器研制中心的KP300S即为此类型
。由于此系统除反射面外仅有一薄改正镜,因此色差很小,再加上改正镜封住镜筒。克
服了卡塞格林系统主镜裸露而易积尘的缺点。特别需要指出的是,目前有些国外商家将
仅有一平面封口玻璃的反射系统称之为"施-卡系统"是不正确的。
2、马克苏托夫系统和马克苏托夫-卡塞格林系统
马克苏托夫望远镜系统由球面反射主镜和负弯月形透镜组成。在一定条件下,弯月形副
镜可不产生色差,且能补偿球面主镜所产生的球差。此外,光阑和厚透镜的位置接近于
主镜的球心,产生的轴外像差很小。由于全部光学表面均为球面,加工比较容易。但口
径增大时,厚透镜大而重很不利,且此系统与施密特系统一样而无法目视。
科普望远镜中用的马克苏托夫望远镜一般是指马克苏托夫-卡塞格林式望远镜(见上图)
。加一球面反射镜使成像在卡焦。此系统像质优良,且光学零件表面均为球面,容易加
工,较易装、校,在小型天文望远镜中时有应用。南京天文仪器研制中心的KPl20M(12
0望远镜)及KPl60M均采用此系统。除上述较著名的折反射望远镜的物镜光学系统外,尚
有一些多种结构型式,成像质量也很好,不一一赘述。
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如果一生只能看见一颗流星
和你在一起是我唯一的愿望
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