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天文望远镜的光学系统与机械装置

天文望远镜的光学系统

根据物镜结构的不同,天文望远镜大致可以分为以下三大类:

  1.折射望远镜

折射望远镜是用透镜作物镜将光线汇聚的系统。世界上第一架天文望远镜就是伽利略制造的折射望远镜,它是采用一块凸透镜作为物镜的,是最简单的一种望远镜。因而有的天文爱好者买了一块透镜,以为就解决了望远镜的物镜问题。其实,由于玻璃对不同颜色光线的折射率不同(导致焦距不同),会产生严重的色差,单块透镜成像还会产生较严重的象差(即“象”与“物”在形状与颜色方面的失真)。举例来说,一颗遥远的恒星在优质望远镜系统中应该成像为一个白色的光点(光点越小其光学系统质量越高,而在劣质望远镜中它会变成一个彩色的光斑――很多人恰恰在这一点上存在模糊概念,举一个真实的例子:在1979~1980年哈雷彗星回归时,我们亲耳听到一些来我们天文系观看哈雷彗星的参观者抱怨说,他们在别处望远镜中看到的哈雷彗星是彩色的,而在我们的望远镜中却是白色的,认为我们的望远镜质量不好,令他们失望,殊不知,他们恰恰是把伪劣与优质弄了个颠倒!)。

因此,现在正规的折射(或折反射)天文望远镜的物镜大都由2~4块透镜组成复合透镜,或采用特殊昂贵的光学玻璃制作(如美国Meade公司的ED系列),或将改正镜的镜面磨制成较为复杂的非球面(如施密特系统)等,用来尽可能消除色差与其他像差(但“残余色差”不可能完全消除)。通常折射望远镜的相对口径较小,即焦距长,底片比例尺(单位角距离的天体在底片上成像的距离)大,从而分辨率高,比较适合于做天体测量方面的工作(如测量恒星的位置、双星的角距等)。当然由于它的相对口径(物镜口径/焦距)较小,星象的亮度(所谓“光力”)会减弱,拍摄暗天体时的曝光时间要增加。

2.反射望远镜


反射望远镜的物镜是反射镜,为了消除像差,一般制成抛物面镜或抛物面镜加双曲面镜组成卡塞格林系统。在这种系统中,天体的光线在进入目镜前只受到反射,目前反射望远镜在天文观测中的应用已十分广泛。由于镜面材料在光学性能上没有特殊的要求,且没有色差问题,也不需要极长的镜筒,因此,它与折射系统相比,可以制成大口径的望远镜,也可以使用多镜面拼镶技术等;而镜面在镀膜后,可获得从紫外到红外波段良好的反射率;因此较适合于进行恒星物理方面的工作(恒星的测光与分光),目前在世界上设计和建造的大口径望远镜都是采用的反射系统,遗憾的是反射望远镜的反射镜面需要定期镀膜,故它在科普望远镜中的应用受到了限制。
  反射望远镜由于工作焦点的不同又分为牛顿系统、卡塞格林(R―C)系统(如我国最大的2.16米望远镜)和折轴系统等,业余爱好者使用的反射望远镜多为牛顿系统,从外形上看,它与折射与折反射望远镜最大的不同是它的观测目镜在望远镜镜筒的前端(如图)。对业余爱好者来说,其突出的优点是没有色差且价格最低。

由于反射望远镜的反射镜面在观测时是完全敞开在空气中,没有镜筒与物镜等的保护,所以极易受到尘埃与空气中氧气等的污染与氧化,需要定期拆卸下来清洗、镀膜与重新安装校准,这对于没有经验的爱好者来说是相当困难的事。另外,反射望远镜由于视场很小(一般都小于1°),因此它只能用于天文观测,不能用来观赏风光等,这就使得反射望远镜的应用受到了限制。

所以对观测经验不足的爱好者来说,我们一般不推荐购买反射望远镜

3.折反射望远镜

顾名思义是将折射系统与反射系统相结合的一种光学系统,它的物镜既包含透镜又包含反射镜,天体的光线要同时受到折射和反射。这种系统的特点是便于校正轴外像差。以球面镜为基础,加入适当的折射透镜(也称“改正镜”),用以校正球差,获得良好的成像质量。按照改正镜形状的不同,这类望远镜又分为马克苏托夫―卡塞格林系统和施密特―卡塞格林系统(如美国Meade LX200 GPS-SMT望远镜)。由于折反射望远镜具有视场大、光力强、能消除几种主要像差的优点,适合于观测有视面天体(彗星、星系、弥散星云等),并可进行巡天观测。另外,由于它的光线在镜筒内通过反射走了一个来回,所以与同样焦距的折射望远镜相比,其镜筒缩短了一半以上,使整架望远镜的体积、份量大大减小,便于携带进行流动观测。它美中不足的是改正镜很难磨制,所以成本较高,也无法把口径做得很大。但总的来说,由于它优良的成像质量和轻便性、多用途等突出的优点,很适合天文爱好者使用

天文望远镜的机械装置

由于地球的自转,天空中的所有天体都围绕着地球的自转轴,沿着天球上的赤纬圈作东升西落的周日运动,因此,望远镜所对准的天体,很快便会跑出视场,望远镜需经常不断地调整方向,才能始终对准目标,这就要求望远镜必须安置在一个可以任意自由调整方向的装置上,这种装置有以下两种类型:

1.地平式装置
  地平装置是望远镜装置中最简单的一种结构形式,它有两根相互垂直的旋转轴,一根位于水平面内,叫水平轴(也即高度轴),可将望远镜在±90°的范围内调节高度;另一根在铅锤方向,叫垂直轴(也即方位轴),可将望远镜在0~360°的范围内调节方位。我们平时所见到的照相机、电影摄影机、摄像机所用的三脚架就是这种地平式装置。望远镜镜筒可以围绕两个轴单独作上下或水平转动。它的优点是结构简单、紧凑,重量对称,稳定性好,造价较低,可架设口径较大的望远镜,圆顶随动控制简单。缺点是由于水平与垂直两个转动方向与天体作周日转动的方向都不一致,所以望远镜在跟踪天体时必须两个轴同时运动,操作比较麻烦;并且长期跟踪时天体的像会在焦平面上旋转,所以不能进行长时间曝光拍摄;另外在天顶处有一无法观测的盲区.

2.赤道式装置
  赤道式装置也有两根相互垂直的轴,一根轴与地球自转轴平行,也即它和地平面的交角等于当地的地理纬度,此轴叫赤经轴(或称极轴),它是跟踪轴,即望远镜在跟踪天体时,围绕其转动。在科普型天文望远镜中,它往往设计成既能手动又能电动跟踪。望远镜围绕此跟踪轴的转速是24h(小时)转一圈,也即15°/h,或15’/min(分钟),与天体的周日运动转速完全一致,所以可以实现望远镜同步跟踪天体的周日视运动,而且跟踪时星象在焦平面上不会旋转,所以可以长时间曝光拍摄。另一根轴叫赤纬轴,望远镜绕它转动时,其指向是沿着与天体的周日运动垂直的方向(即赤纬方向)变化,在跟踪时,望远镜完全不需要绕它旋转,仅仅在找星时才需要绕它转动,因此,科普望远镜大多将望远镜设计成仅能绕赤纬轴手动旋转(在专业望远镜中则必须兼具手动与电动两种功能)。赤道式装置的望远镜按结构主要有德国式、英国式、摇篮式、马蹄式与叉式五种(参见附图),科普天文望远镜采用得最多的是德国式与叉式。

五种赤道装置

(a)德国式;(b)英国式;(c)摇篮式;(d)马蹄式(美);(e)叉式(美)

为了在观测时能够较长时间方便地跟踪天体,建议天文爱好者尽量选用赤道式装置的望远镜。


 

 

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