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    天文望远镜的种类及功能


      天文望远镜的光学系统有许多种类,大致分为折射式望远镜、反射式望远镜与折反射式望远镜三种,简单为您介绍如下天文望远镜的种类及功能。
    天文望远镜

    折射式望远镜

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      折射式望远镜是由义大利天文及物理学家伽利略于1609年发明(甚至将400年后的2009年订为全球天文年),原理是光线穿透凸透镜物镜折射聚焦,是最广泛使用的光学设计,除了天文望远镜之外,一般相机镜头、双筒望远镜、赏鸟单筒望远镜等等,几乎都是折射式设计,最早期的设计是由单片凸透镜作为物镜,由于光线穿透不同密度介质时,会产生色散(色差)现象,影像严重失真,后来开发出两片甚至两片以上的透镜组作为望远镜物镜,一些相机镜头的镜片组甚至超过18片透镜以上,低色散材质技术也日新月异,到了21世纪,色差现象消除已经不是大问题。以两片式消色差镜片为例,一片凸透镜聚焦,加另一片不同分散系数材质的凹透镜,将折射角度过大的颜色光波修正回来,让所有波长的可见光都尽量聚焦在同一个点,这就是近代最普遍使用的折射望远镜消色差(Achromatic)技术,简称Ach,两片物镜中间常以黏合或空气间隔(air space)设计,但是在中高倍率50X以上,色差仍然会很明显,这是因为修正色差的能力有上限,只能尽量修正了红光与绿光的焦点,蓝紫色光人眼感应没这么敏锐,就只好牺牲掉,所以在一些高反差物体边缘常出现紫色光晕。
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      后来到了约30年前,更开发出更高级的低色散材质,例如ED(Extra Low Dispersion)超低色散玻璃,或是昂贵的萤石(CaF2 Fluorite)这些高折射率低分散的材质作为聚焦透镜,修正色差效果更上层楼,即使在高倍率100X以上,色差肉眼仍然难以察觉,称之为APO全消色差(Apochromatic)等级,等级比一般消色差透镜更优秀,早期超低色散材质尚未普遍之前,也有人采用非ED或萤石的三片式透镜组作为物镜,达到APO等级,通常APO全消色差等级望远镜,比普通消色差(Achromatic)等级的折射镜贵上好几倍,除了材质昂贵之外,加工更是困难。SEMI-APO透镜(SEMI-APO lens)等级修正色差效果介于APO全消色差等级与消色差(Achromatic)等级中间。
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      双筒望远镜也属于折射式望远镜
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      折射式透镜还有一个问题是光线穿透度的问题,光线穿过镜片,由空气进入玻璃或由玻璃进入空气时,会有三种结果,透射、反射及被镜片吸收。对于望远镜光学镜片而言,反射及被镜片吸收的光线不会进入我们的眼睛,只有透射的光线才会被看到,所以望远镜镜片的抗反射相对重要许多。目前最广泛的方法就是镜片表面镀膜,目的是为了降低反射率也等于增加透光率,如果这些光学表面未经任何处理,那么总入射光线因反射就会损失,影像会变暗且变得模糊,经过镀膜的镜片能将降低被反射的光,所以和未经镀膜处理的镜片比起来,影像就清晰明亮许多,而镀膜品质的高低,与是否每片与空气交换的镜片都有镀膜,就会跟价格有直接的关系。详细请参考「镀膜概论」一文。
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      为了增大良像范围,消去球面像差和彗形像差。可能会采用更高档的多透镜物镜组,达到四片甚至五片设计。折射望远镜的成像品质比同口径反射望远镜好,使用方便,易于维护,中小型天文望远镜及许多专用仪器多采用折射系统,但大型折射望远镜制造起来由于镜片太重,比反射式望远镜困难得多,超过50CM口径的望远镜几乎看不到折射式设计,全球最大的望远镜口径达到10米,但是最大口径的折射式望远镜才1米而已,因为已经没有办法做更大了。
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    反射式望远镜

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      反射式望远镜用凹面反射镜作为聚焦物镜,通常称为主镜,透过镜筒内中央斜镜光路从镜筒侧面出来,又称牛顿式望远镜,主镜只有一个表面(凹面)需要研磨加工,并镀上一层铝膜,用来反射光线,所以反射式主镜对于镜片材质要求不大,不像折射式物镜内部不可有杂质气泡,这就大大降低了造价和制造的困难(只要热膨胀系数越小越好)。短焦式系统F6以下主镜大多采用抛物面镜,可消去球面像差,此外杜部森式望远镜也是属于牛顿反射式望远镜。
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      牛顿反射式望远镜有许多优点
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      第一,就是便宜,比起折射式望远镜,以同样价格,可买到更大口径的牛顿反射式望远镜,在一寸大一寸强的天文观测领域中,以获得更大的集光力,初学者最常购买的规格是口径130mm、150 mm与200mm,小于口径100mm就无法发挥反射式”便宜又大碗”的优点,建议购买折射式就好;
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      第二,反射镜的主要优点是没有色差;
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      第三,牛顿式适合设计成短焦比,镜筒的长度比同口径折射式系统要短得多,以利携带性。
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      牛顿反射式望远镜也有几个小缺点
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      第一,大部分反射式铝膜在可见光波段范围的反射率都大于85%,可是会随时间慢慢氧化,使用几年后反射率会降低。
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      第二,使用上反射式望远镜比折射式光轴容易撞歪,应减少碰撞。
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      第三,就是开放式镜筒,灰尘与异物容易堆积在主镜上,盖子没盖好的话每隔一阵子就要送厂清洗。还有由于温差关系,刚打开镜筒有时会因为内外温差关系造成筒内气流干扰,造成高倍率观察行星月面时,影像扰动现象,只要10分钟热平衡之后就好了。整体来说,牛顿式望远镜比起折射式系统更不易保养维护。
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    折反射式望远镜

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      折反射式望远镜,顾名思义就是光线会经过透镜折射与反射面两种原理的系统,加了透镜主要是为了改良牛顿反射式系统的一些缺点,光路若透过镜筒内中央副镜从主镜中间挖个洞,从镜筒后面出来,称为盖塞格林式望远镜。市面上纯盖塞格林式望远镜很少,折反射式望远镜大多由盖塞格林式望远镜发展出来,折反射式望远镜的系统到今日已经发展许多种类,一些世界级大型天文台许多都采用折反射式系统。
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      折反射式望远镜跟牛顿式有一个不同特点,就是折反射式多为长焦式系统(F8以上),倍率较高,较适合行星月面观测,牛顿反射式多为短焦式系统(F8以下),观测与拍摄大面积的星云会有较好的较果,为了减低成本,盖塞格林式主镜通常采用球面研磨,由于焦比相当的小(低于F/4),低焦比主镜会造成严重的球面像差、彗形像差及其他像差,为了减小像差的影响,在镜筒前方加装修正镜(或称补正板)以修正像差。除了球面研磨之外,也有少数采用双曲面,甚至更高次元非球面技术研磨,以减小像差的影响。
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      常见的折反射式望远镜种类包括『施密特-盖塞格林式』望远镜(简称SCT式)与『马克斯托夫-盖塞格林』式望远镜(简称马克斯托夫式)。
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      折反射式望远镜的优点
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      第一,镜筒长度都远低于主镜焦距,所以跟牛顿式一样可大幅减小望远镜长度以利携带。
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      第二,比起折射式系统折反射式望远镜也是有”便宜又大碗”的优点。
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      第三,前方加装修正镜的系统可使镜筒增加密闭性,跟牛顿式相比可减少灰尘与异物容易堆积在主镜上,也可以减少筒内气流干扰与减缓铝膜氧化问题。
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      折反射式望远镜的缺点
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      跟牛顿式一样必须特别小心光轴偏移问题,顶级的折反射式望远镜光学品质可逼近APO全消色差等级折射式望远镜,但廉价劣质的产品也充斥市面,锐利度还不如牛顿式反射镜,选购时物必要仔细研究了解。

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