【天文】折射式望遠鏡、反射式望遠鏡、折反式望遠鏡

2021-02-15 技術直升機

伽利略和他的望遠鏡


本文講述的內容是：折射式望遠鏡（伽利略望遠鏡、克卜勒望遠鏡）、反射式望遠鏡（牛頓式反射望遠鏡、經典卡塞格林式望遠鏡、李奇-克萊琴望遠鏡）、折反式望遠鏡（馬克斯託夫-卡塞格林望遠鏡、施密特-卡塞格林望遠鏡）。


1. 望遠鏡的基本參數


焦距決定了透鏡或曲面反光鏡放大率。


倍率（放大倍數），是透鏡或曲面反光鏡組合後的最終的放大率，是指望遠鏡拉近物體的能力，如使用一具7倍的望遠鏡來觀察物體，用望遠鏡觀察700米遠的物體的效果和肉眼觀察到的100米遠的物體的效果是相似的。

倍率=物鏡焦距/目鏡焦距

巴羅夫增倍鏡用來增加焦距，常見的巴羅有2X、2.5X、3X、4X、5X等。

倍率=（物鏡焦距/目鏡焦距）*巴羅夫增倍鏡倍數

焦比（光圈值），即焦距和口徑的比例，這個比值就是光圈值，代表著望遠鏡聚集光線的能力。焦比（f/後面的數字）就愈小，影像就愈亮；焦比就愈大，影像就愈暗。

焦比=焦距/口徑

焦比=（焦距/口徑）*巴羅夫增倍鏡倍數

倍率x物鏡口徑(直徑，mm)，比如7x35表示該種望遠鏡的倍率為7倍，物鏡口徑35毫米；10 x 50表示該種望遠鏡的倍率為10倍，物鏡口徑為50毫米。

2. 望遠鏡的分類

（一）折射式望遠鏡

由於光線經過透鏡折射後會出現色散現象，成的像就會有色差。如下圖所示：

色散

色差

在成像上就表現為邊緣有明顯的紫邊、綠邊等等，如下圖所示：


要儘可能的消除色差，有兩個方案：

由於焦距越大色散現象越不明顯，因此，選擇折射望遠鏡的時候儘可能選擇焦比大的。一般來講，製作大口徑（100mm以上）的組合透鏡是非常困難的，所以常見的折射式天文望遠鏡的口徑都不超過100mm。

（二）反射式望遠鏡

牛頓式反射望遠鏡（牛反），沒有折射過程，所以沒有色差問題。

牛頓式反射望遠鏡的主鏡使用拋物凹面鏡，第二反射鏡是平面的對角反射鏡。它原理是使用一個彎曲的鏡面將平行光線反射到一個焦點上。這種設計方法比使用透鏡將物體放大的倍數高出數倍。

牛頓式反射望遠鏡有個缺點，那就是很難避免的問題——彗差（Coma，彗形像差，又稱彗星像差，指的是類似彗星形狀的變形），尤其是短焦比的牛反，彗差會更明顯，因此需要加彗差修正鏡（MPCC）來修正。

什麼是彗差？看下圖：

從上圖看出，相對短焦比而言，長焦比的彗差會比較小。

由於彗差都是在視野的邊緣上，如果觀察目標在畫面中央的話，邊緣彗差的影響可以忽略。

經典卡塞格林式望遠鏡，將副鏡與主鏡平行放置，而焦點在鏡筒後面。經典卡塞格林式望遠鏡光路圖如下圖所示：

經典卡塞格倫望遠鏡像標準牛反望遠鏡設計一樣使用拋物凹面鏡，這樣只能校正球差，如果將主鏡也改為雙曲面（下面要講的RC望遠鏡）則可以校正兩種像差，球差和慧差；視場也可適當增大，但為了進一步增大視場則還需校正場曲、象散和畸變，這就還需要在像方加一組至少由兩片透鏡組成的校正透鏡組，可稱之為場鏡。主鏡的焦比通常在f/4左右，與下面即將提到的RC或SCT相比，主鏡相對較慢的焦比為經典卡塞格倫望遠鏡提供了一個相對較長的光學鏡筒。

經典卡塞格倫的副鏡是雙曲凹面鏡。副鏡的放大係數通常在3到5倍的範圍內，使整個光學系統的焦比為f/12到f/20。這使得焦距非常長，非常適合於行星觀測或其他高解析度的觀察或成像。偶爾也會看到焦比速度更快的系統，大約在f/8到f/10之間，但這些並不常見。RC是在較短焦距範圍內比較常見的儀器。


李奇-克萊琴（Ritchey-Chretien）望遠鏡，簡稱RC，RC望遠鏡光路圖如下圖所示：

通常理解，RC望遠鏡是反射鏡裡面光學最好的一種，它的主鏡和副鏡是雙曲面鏡，是在1910年代早期由美國天文學家喬治·威利斯·裡奇（George Willis Ritchey）和法國天文學家亨利·克萊琴（Henri Chrétien）發明的，沒有球差和彗差等問題。

裡奇-克萊琴的設計可以消除第三階的彗形像差和球面像差，雖然它確實存在五階彗差、嚴重的大角度散光，在焦平面附近增加較小的光學元件，可以改善基本設計的剩餘像差。當在對焦的中途，在縱分和正切的對焦面上星點會成為圓，使RCT非常適合從事廣視野和攝影的觀測。和使用其他卡塞格林裝置的反射鏡比較，在給定的焦長下，RCT有非常短的鏡筒組合和緊密的設計。RCT也提供良好的離軸光學性能，但是歸咎於製做雙曲線鏡面的高價格，裡奇-克萊琴式的裝置只能在高性能的專業望遠鏡上看到。

目前市面上能買到的最好的RC望遠鏡是GSO的RC8和RC10，都是以深空攝影為主。不過當然RC望遠鏡也是可以用來拍攝行星的，比起APO折射鏡，RC望遠鏡在價格和口徑上都很有優勢。但是比起施卡和馬卡，RC望遠鏡還是略遜一籌。如果你想要主攻深空、兼顧行星的話，可以選擇這種鏡子。

（三）折反式望遠鏡

馬克斯託夫-卡塞格林望遠鏡（Maksutov-Cassegrain），簡稱馬卡或者MCT。馬卡望遠鏡屬於折反式望遠鏡，MCT的光路圖如下圖所示：

上圖就是兩片式馬卡結構。馬卡分三片式和兩片式，為了避免造成理解負擔，我們這裡不講。可以強調一下：它的焦比可以格外的長，在有限的體積內，甚至可以達到f/15或者更高。

不過相對而言，馬卡和下面要講的施卡就不是很適合深空攝影了， 非要用來拍深空也不是不可以，只是馬卡和施卡焦比大，曝光效率非常低。而且那麼長的焦距對赤道儀以及極軸精度的要求也相當高。

對於折反射鏡來說，焦比越長副鏡就越小，副鏡小就意味著可以獲得很銳利的畫質。所以馬卡式望遠鏡非常適合用作長焦的目視觀測鏡，自然也就非常適合行星攝影。除此以外，馬卡的光軸通常還很穩定，不怎麼需要調。

施密特-卡塞格林望遠鏡（Schmit-Cassegrain），簡稱施卡或SCT。SCT的光路圖如下圖所示：

施卡望遠鏡屬於折反式望遠鏡，它和馬卡的焦比通常都比較長，口徑都可以做得很大，十分適合行星攝影。

不過相對而言，馬卡和施卡就不是很適合深空攝影了， 非要用來拍深空也不是不可以，只是馬卡和施卡焦比大，曝光效率非常低。而且那麼長的焦距對赤道儀以及極軸精度的要求也相當高。

相比於牛反望遠鏡，施卡有一個非常顯著的優點：在焦距相同時，施卡的鏡筒比牛反短很多。有人會問「短有什麼好處」？實際上短的好處非常多。小施卡便攜，大型施卡由於鏡筒比較短，機械變形也比牛反和折射鏡輕微。不要小看機械變形，這在行星攝影中非常重要的。當你使用1000mm以上焦距的望遠鏡拍攝時，你會看到鏡筒重力變形對畫面有毀滅性的影響。

相比於馬卡，施卡也有一個好處：同口徑的施卡會比馬卡輕很多，尤其是做到大口徑時，重量差距很明顯。

3. 總結

走馬觀花地講完幾種望遠鏡，最後總結一下，推薦一下最適合自己擁有的望遠鏡類型：


APO
1. 結構穩定，不用調光軸，中心無遮擋；
2. 缺點是口徑難做大，價格太高不親民，這裡不太推薦（任性土豪隨意）。


牛反
1. 價格便宜，是最受廣大DIY群眾歡迎的一種光學系統，我自己拍攝行星用的也是牛反；
2. 小口徑牛反不怎麼需要熱平衡，大口徑牛反則需要，並要注意不要將主鏡靠近地面，避免受到地面熱度的影響；
3. 牛反使用反射面，現在廠家制鏡精度高，無色差；
4. 副鏡遮擋比起RC不算大；
5. 牛反光軸調整比較麻煩，需使用需要使用雷射校準目鏡或十字絲校準目鏡，熟能生巧。
6. 在購買牛反時要注意球面和拋物面的區別，這裡不詳談，我們建議拋物面牛反，因為球面牛反一般有球差，除非焦比很長，不然很難忽略其影響。


RC
1. 沒有球差和彗差，主鏡副鏡都是雙曲面，反射系統中最好的一種；
2. 主鏡遮擋有點大，主攻深空、行星兼顧；
3. 需調整副鏡；


馬卡
1. 光軸穩定基本不用調；
2. 天生長焦比，加2X巴羅基本滿足需求；

3. 相對而言，不是很適合深空攝影了，非要用來拍深空也不是不可以，只是馬卡焦比大，曝光效率非常低。而且那麼長的焦距對赤道儀以及極軸精度的要求也相當高；

4. 同價格，口徑比APO大得多；
5. 副鏡遮擋小，擋光少，銳度高；
6. 粗短，體積小，便攜。


施卡
1. 優點和馬卡很接近，不再重複；
2. 同口徑下施卡比馬卡重量更輕，但是更貴；

3. 相對而言，施卡就不是很適合深空攝影了， 非要用來拍深空也不是不可以，只是馬卡和施卡焦比大，曝光效率非常低。而且那麼長的焦距對赤道儀以及極軸精度的要求也相當高；

4. 需調節副鏡；
5. 大口徑施卡馬卡也需要做熱平衡，可通過製作風扇加快熱平衡過程。

基本上看完後，大家可能心裡都有一個選擇偏向了，就筆者個人而言，我選牛反和馬卡，性價比高！非常實在地說，往往價格是決定你買什麼望遠鏡最重要的因素。


另外提一下巴洛鏡配件，巴洛鏡（Barlow lens）的名稱來自創造者英國工程師彼得·巴洛（Peter Barlow）。巴洛發展出一系列可以插入其他光學系統的透鏡組。當這些透鏡被置入後，可以明顯的察覺出原系統的焦比被有效的增加了。

它在天文學的用法是將巴羅鏡直接安裝在目鏡的前端，由於巴羅鏡的分流而有效的延長主鏡的焦距。由於望遠鏡的放大率是主鏡焦距除以目鏡焦距的商值，因此可以增加影像的放大倍率，不過會影響成像質量。



附錄：

卡塞格林望遠鏡的種類非常多，大致可以按照主鏡和副鏡的類型，分為以下幾種：
A. Classical Cassegrain 拋物面 雙曲面
B. Ritchey-Chretien 雙曲面 雙曲面
C. Dall-Kirkham 橢圓面 球面
D. Houghton-Cassegrain 雙凸透鏡+雙凹透鏡 球面 球面
E. Schmit-Cassegrain 施密特校正器 面型任意
F. Maksutov-Cassegrain 彎月透鏡球面 球面
G. Schmidt-meniscus Cassegrain 施密特校正器+彎月透鏡 球面 球面
H. Mangin-Cassegrain 多個球面透鏡 球面 球面
I. Pressmann-Camichel 球面 橢圓面
J. Schiefspiegler 斜反射離軸

正文中提及的只有：

B種李奇-克萊琴望遠鏡，簡稱RC；

E種施密特-卡塞格林望遠鏡，簡稱施卡或SCT；

F種馬克斯託夫-卡塞格林望遠鏡，簡稱馬卡或者MCT。

其中RC屬於反射系統，施卡和馬卡都是折反射系統，你可以將它們稱呼為折反式望遠鏡。

小編：王楓

個人網站：

https://mapleeureka.github.io/index-ch.html

掃碼關注微信公眾號

相關焦點

  • 折射式和折反射式望遠鏡
    克卜勒式望遠鏡1611年，德國天文學家克卜勒用兩片雙凸透鏡分別作為物鏡和目鏡，使放大倍數有了明顯的提高，以後人們將這種光學系統稱為克卜勒式望遠鏡。人們用的折射式望遠鏡還是這兩種形式，天文望遠鏡是採用克卜勒式。需要指出的是，由於當時的望遠鏡採用單個透鏡作為物鏡，存在嚴重的色差，為了獲得好的觀測效果，需要用曲率非常小的透鏡，這
  • DIY牛頓反射式望遠鏡
    不過有興趣讀這篇文章的理論上當年物理都不差，不然也不會來研究望遠鏡的製作。去年已經介紹過折射式望遠鏡的製作，這次再來介紹一下「牛頓反射式望遠鏡」的製作。就是牛頓在1668年發明的望遠鏡，是迄今為止用的最廣泛的反射式望遠鏡，同時也是天文愛好者最愛DIY的望遠鏡。       為什麼大家都喜歡製作這種反射式望遠鏡呢？
  • 觀測宇宙的好幫手:天文望遠鏡,如何才能選到最合適的?
    只不過，儘管它們有不同的形狀和尺寸，但都可以被分成三類：折射式、反射式、折反式。　　╱折射式　　折射式望遠鏡的外形是天文望遠鏡的傳統形狀——一個長的、有質感的鏡筒，在前部裝有一個大透鏡，後部裝有一個目鏡。前部的透鏡（物鏡）聚集光線，光線在鏡筒後部形成圖像。目鏡是一個小的放大鏡，用來看到那個圖像。
  • 天文望遠鏡的挑選有哪些技巧
    :折射式，反射式，折反式。折射式:優點--成像效果好;缺點--價格高，有色差。反射式:優點--價格低，體積小輕便，口徑可以很大;缺點--成像有球差折反式:在反射鏡前面有一塊折射式修正鏡，兼有折射式和反射式的優點，價格適中如果只是一般的天文愛好者且預算不是很多，推薦反射式，其中以牛頓反射式最為廉價。
  • 折射望遠鏡和反射望遠鏡有什麼區別(天文望遠鏡發展簡史)
    對於天文愛好者來說，特別是剛接觸天文望遠鏡，關於折射望遠鏡和反射望遠鏡的區別搞不是很明白，也不知道如何選擇，各有什麼優缺點，本文將會詳細介紹折射望遠鏡和反射望遠鏡的區別和發展簡史
  • 天文望遠鏡介紹
    1.2 天文望遠鏡的種類　　按照光學結構的不同天文望遠鏡可分為許多不同的種類，但比較常用的是兩種：折射式天文望遠鏡（用光學透鏡做物鏡）和反射式天文望遠鏡（用曲面反光鏡做物鏡）。儘管兩者可以達到一樣的效果，但它們的光學結構是完全不同的。
  • DIY折射式天文望遠鏡
    暑假剛開始時，在路邊用自製的望遠鏡遙望星空，漸漸地吸引了很多小朋友和家長。在聊天中發現他們對太空很好奇、很嚮往。尤其在《流浪地球》上映後，大人小孩都記住了木星和大紅斑，都想目睹其風採。得知我的望遠鏡是自製的以後，突然地、莫名地有20人報名學習天文望遠鏡的製作。下面就介紹一下整個的製作過程。
  • 走近天文之三:天文望遠鏡
    1609 年，伽利略開始使用自製的天文望遠鏡觀測天體，並進行了詳細記錄。他當時所使用的天文望遠鏡是由一片凸透鏡和凹透鏡分別作為物鏡和目鏡的折射式望遠鏡，觀測天體時呈現正立的虛像。但由於光學結構及當時光學鏡片加工精度的限制，這種天文望遠鏡口徑只有四釐米左右，目視成像倍率也只有30 倍。但即便如此，天文望遠鏡也使得人們首次可以突破肉眼視覺的極限對天體進行觀測。
  • 業餘天文愛好者的觀測器材之路——單筒望遠鏡(反射式)
    往期回顧： 第一章 雙筒望遠鏡；第二章 經緯儀 ；第三章 德式赤道儀；第四章 單筒望遠鏡（折射式)一、反射式望遠鏡簡介
  • 如何選擇望遠鏡
    天文望遠鏡買天文望遠鏡最主要看這個參數：物鏡口徑。物鏡是一塊凸透鏡或者凹面鏡，它的直徑就是口徑。這是一個硬指標。口徑大，集光力強，解析度高，成像清晰。但是價格昂貴，也不便攜。這就是牛頓反射式望遠鏡（簡稱牛反）。牛反不折射光線，沒有色散，所以同樣成本下口徑可以做到很大。而且目鏡的位置更人性化，觀測時不用撅著屁股。但牛反也有問題：鏡筒不封閉，用來二次反射的平面鏡懸空而立，位置很尷尬，很容易跑偏。所以牛反需要定期維護，適合技術宅。
  • 2020天文望遠鏡入門指南,長文乾貨帶你避坑
    這個是正兒八經的天文望遠鏡，看到的東西讓我震驚了好久：月亮環形山、棒棒糖一樣的木星、土星光環、仙女座星系、獵戶座大星雲、球狀星團。通過這個鏡子，才慢慢入門。後來又開始研究牛反，小黑、黑洞牛反、支架牛反、包布森等等，牛反的好處就是口徑大，便宜。再後來，又去看了Apo、施卡、馬卡。當時被Apo那精緻的外形，無語倫比的光學性能吸引了，可惜就是太貴。
  • 科普:望遠鏡的原理,及光光路圖
    小型目視望遠鏡若採用折反射卡塞格林系統，鏡筒可非常短小。二、反射式望遠鏡使用凹面主鏡採集光線反射形成圖像，上圖是典型的牛頓反射式天文望遠鏡，光線被反射到鏡筒內一塊小的平板反射副鏡到目鏡成像觀測反射式望遠鏡能以較低的成本獲得較大的口徑，從而獲得較好的集光力，同時能很好的控制色差，因此至今仍被廣泛應用於天文望遠鏡系統。
  • [經驗分享] 新手入門——天文望遠鏡基礎知識
    （一）折射式望遠鏡      折射式望遠鏡的構造如下圖：折射式望遠鏡由兩個透鏡組成：固定在鏡筒前端的是物鏡（其口徑大小直接決定望遠鏡的性能）；在鏡筒尾端可以調換的是目鏡。（二）反射式望遠鏡      反射式望遠鏡的構造如下圖：上圖為牛頓式反射式望遠鏡。優點：無色差、強光力和大視場，非常適合深空天體的目視觀測。缺點：彗差和像散較大，視野邊緣像質變差，操作不太容易, 維護相對複雜。（三）折反射式望遠鏡折反射式望遠鏡的構造如下圖：綜合了折射鏡和反射鏡的優點：視野大、像質好、鏡筒短、攜帶方便。
  • 透過天文望遠鏡 看「暗紅色」太陽(圖)
    5月15日，重慶自然博物館，市民正在利用天文望遠鏡
  • 望遠鏡吸貓小史
    同樣的術語對於天文專業工作者和天文愛好者，理解會截然不同。比如今天我們要提及的一個概念就是這樣——折反射望遠鏡。這大約是任何一個與天文相關的人都熟悉的概念，甚至在攝影圈也幾乎人盡皆知。然而，設想一個場景，專業天文和業餘天文的人聊天，當聊及折反射望遠鏡，他們腦子中浮現的場景，卻和背後的一串臺詞並對不上。這是怎麼一回事？所以這次我們來聊聊折反射，所以這篇文章叫做望遠鏡吸貓小史。
  • 牛頓望遠鏡中的光線傳播
    第一架牛頓望遠鏡於 1668 年問世，被公認為是最早的功能性反射式望遠鏡。
  • 天文望遠鏡入門知識
    儘管小折射望遠鏡可以作為第一步購買計劃的理想選擇，但這裡要提一點非常重要的警告。很多廉價的折射望遠鏡要麼粗製濫造，要麼性能與價格不符，在最糟糕的情況下，望遠鏡在天文觀測上可能毫無用處，儘管它們的外觀相當漂亮。不幸的是一些大商店也賣光學質量很差的望遠鏡。單透鏡的主要缺點是在目標的邊緣會產生多餘的顏色，這稱為色差。
  • 購買望遠鏡常見問答
    經常會碰到天文愛好者問：我想買天文望遠鏡，到底買怎樣的好？
  • 天文望遠鏡使用方法
    後來，上學讀書，在課本上認識了伽利略，才知道用望遠鏡可以看得更遠。1608年望遠鏡的誕生是人類文明史上的一件大事，對社會、科學、文化的發展產生了深遠影響。物換星移，如今科技日新月異，望遠鏡早已不是僅供少數人從事科學研究之用的稀罕之物，而是成為人們休閒放鬆、培養情趣、啟蒙教育的好幫手。隨著生活水平的提高，大批充滿好奇心的青少年朋友和懷揣兒時夢想的成年人陸續加入到天文愛好者的行列之中。
  • 望遠鏡的原理
    望遠鏡是一種用於觀察遠距離物體的目視光學儀器，能把遠物很小的張角按一定倍率放大，使之在像空間具有較大的張角，使本來無法用肉眼看清或分辨的物體變清晰可辨。所以，望遠鏡是天文和地面觀測中不可缺少的工具。它是一種通過物鏡和目鏡使入射的平行光束仍保持平行射出的光學系統。，在日常生活中，望遠鏡主要指光學望遠鏡。