【天文】折射式望遠鏡、反射式望遠鏡、折反式望遠鏡

2021-01-15 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RCSCT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SCTSCT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


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