天文望遠鏡光學與機械

望遠鏡的光學系統比起攝影器材可說是十分陽春。盡管如此，制造商也罕有以制作相機鏡頭的標準來改良天文望遠鏡。一個廉價的相機鏡頭會有多達十片以上精密鍍膜的透鏡。為什麼望遠鏡主鏡能有三片式的消色差鏡片組就已經屬于最高級的質量了？

此外，望遠鏡的光學系統有折射式與反射式的基本區別。折射式望遠鏡的鏡片材質與構造，以及反射鏡的反射鏡面采取球面鏡或是拋物面鏡在理論上的優劣情形？目前天文望遠鏡市場上的最愛還是頗為昂貴折射式望遠鏡，其次反射式望遠鏡。除了它們之間的光學系統相異之外，是否有其獨特的使用目的呢？

許多人希望買來的光學器材能增加休閑生活的質量，因此除了用于天文觀測之外，同時亦希望能用于地面觀測（如賞鳥、看風景 ...等）。如果是這樣盤算的話，如何量身打造你的設備需求呢？買怎樣規格的望遠鏡是最為實用。

除了優良的光學系統之外，天文望遠鏡的架台一點可不能忽視。眾多的赤道儀與附屬設備提供我們使用，因此我們必須了解這些設備的利弊。以免買了昂貴卻不易使用的設備，或是需要花很多時間來學習才能上手的苦惱設備。畢竟天文望遠鏡在台灣不是十分普及的私人裝備，很難獲得實時的信息與技術上的討論。此外，天文相關的專業書籍也十分貧乏。

光學

像差的種類  參閱 幾何光學進階

為了方便說明像差的成因，我們僅以平行的入射光來探討他們在幾何光學上的差異。其實天文觀測的目標都是遙遠的星體，基本上也符合平行光的假設。

球面像差（對稱的像差）︰當沿著光軸的平行入射光不能完全聚焦時，我們稱為「球面像差」。

  透鏡的球面像差

反射鏡的球面像差

彗形像差（不對稱的像差）︰傾斜于光軸的平行入射光無法完全聚焦的情況，我們稱為「彗形像差」。

色像差︰若是不同的顏色光線有不同的聚焦點，我們稱為「色像差」。通常紅色光的焦距比藍光大一些。 

彎曲的像場︰即使光學系統能完美地聚焦，但是卻常發生它們的聚焦平面與我們希望的成像平面不一致。因此透鏡會有bending的設計。

Astigmatism︰因為物體經由透鏡成像時，常會發生X軸與Y軸的聚焦點不一致。

變形︰基本上變形的發生不能看似完全的像差。它並不是因為影像的聚焦不良所致，相反的它是清晰的成像，但是卻發生與原來的物體的外型不一致。

最完美的成像︰拋物面鏡

數學上的定義︰ y²＝ 4 F‧x         F︰鏡面焦距長度

鏡面特色︰平行光軸的入射光線可以完美聚焦于焦點。同時因為是反射面成像，所以沒有任何色像差。若是采用拋物面來作為天文望遠鏡的主鏡是一個非常好的選擇。不但能兼顧光學系統的重量與成像質量。很可惜的，若是非平行的入射光沿著主軸進來，會有對稱的「球面像差」。若是平行入射光傾斜于主軸，會有不對稱的「彗形像差」產生。因此拋物面鏡最適合于長焦距的天文望遠鏡，而不適合于地面景物的觀測。

不過拋物面的鏡面不易制造，必須藉由許多球面鏡的研磨方式逐漸逼近拋物面的曲度，因此價格自然也較為高昂。以一個口徑8紋、 F/4鏡面而言，中間的鏡面與球面鏡差距其實是非常微小的，只有數個波長之差。雖然這只是微小的差別，卻可以改善影像的質量甚多。

為了獲得高精度的拋物面，必須透過多次球面研磨。

由于拋物面鏡是經過多次球面鏡的研磨而成，因此拋物面鏡可以看成是多個球面鏡所構成。利用這個光學特性，可以成為檢測拋物面鏡的一個簡易的方法，我們稱為「刀口測試」。參閱 鏡片焦距檢測 。

結語︰反射鏡的制作成本比折射鏡低廉非常多，因此大口鏡的望遠鏡幾乎都采用拋物面鏡。若是用途僅止于天文攝影，采購該型望遠鏡算是不錯的選擇。尤其在星團與星雲的拍攝，超大口徑的拋物面鏡幾乎是唯一的選擇。

沒有彗形像差︰球面鏡

數學上的定義︰ y²＝ 4 F²－ x²         F︰鏡面焦距長度（R＝2F）

球面鏡特色︰球面鏡的幾何對稱，因此沿著光軸或傾斜光軸的平行入射光都具有相同的「球面像差」。不過沒有「彗形像差」則是它的優點。由于球面鏡的制作成本低廉，因此大都制造成極大的口徑來獲得它的優勢。不過同樣屬于反射鏡的拋物面鏡，因為鏡面中間的完美成像質量，已經逐漸取代球面鏡。

具有彈性的呈像矯正︰折射鏡

因為折射鏡是由多個透鏡組成，透鏡的每一面都是球面鏡。目前因為鏡片的研磨技術進步，少數的鏡片也能制造成非球面鏡。為了能夠消除「像差」與「色像差」，因此鏡片的材質非常重要。一般由兩片鏡片構成的鏡片組，我們稱為「Achromatic」。若是由三片組成的高級鏡片組則稱為「APO」。參閱 幾何光學進階

透鏡的研磨成本高昂，加上鏡片組的重量，因此非常不適合用于大口徑的天文望遠鏡。不過由于折射鏡可以透過不同材質與曲度的鏡片搭配來消除色、像差，所以可以同時用于天文觀測與地面景物觀看等用途，算是一個全方位的望遠鏡。坊間許多稱為「螢石鏡」或是「ED鏡」，是因為鏡片組的第一片鏡片采用高折射率、低色散的鏡片制造，而第二片仍須使用高色散的鏡片。一般的光學玻璃都是高折射率，同時也具有高色散的情形，所以「螢石鏡」或是「ED鏡」就顯得珍貴了。由于天文望遠鏡的入射光幾乎都是平行光（遙遠的恆星），同時視野狹窄（高倍率），因此只要三片式透鏡的主鏡就已經十分足夠了。當然若想用于地面觀看，效果必須打一點折扣！

結語︰若是你想添購一只可以用于地面景物觀看，同時又想進行天文觀測。那折射式望遠鏡是你的首選。通常主鏡需要三片式的透鏡才算是高級望遠鏡，二片式的主鏡大都用于 8公分以下的小口徑天文望遠鏡。若非使用「螢石鏡」或是「ED鏡」，可能必須忍受極明顯的色像差。

光學系統

請參考網頁 望遠鏡幾何光學概說   反射式天文望遠鏡光學系統

在簡易的反射式天文望遠鏡（牛頓式望遠鏡），由于安置斜鏡之故，常會造成星光成 ＋字形。

彗形像差會發生在影像的邊緣，它的形狀會呈現橢圓形。若是所有星點都呈現橢圓形，那表示望遠鏡追蹤攝影的誤差，而非像差。

反射式望遠鏡的大口徑優勢，可以讓暗星體完全呈現。這絕非一般的折射式望遠鏡所能達到。因此反射鏡是星雲攝影的必須工具。目前幾乎所有的大型天文台都使用反射式望遠鏡來掠取最暗的星體，作為研究之用。

折射式望遠鏡會有明顯的色差發生。為了避免小小的色差，往往必須付出高額的代價。

高價格且成像良好的折射式天文望遠鏡非常適合拍攝高倍率的星野攝影。

望遠鏡的架台

經緯台

使用天文望遠鏡來觀看，影像大都經過數十倍的放大，因此輕微的搖動就會產生模糊的影像。尤其對于想要從事攝影的使用者而言，堅固的架台是必須具備的條件。

若是你的小型望遠鏡是為了攜帶方便，同時可提供地面觀測的樂趣，這些望遠鏡大都搭配簡易的地平經緯台。地平經緯台只能做水平與垂直的轉動，除非能有精密的計算機作為輔助，否則不容易用于星體運動的追蹤。目前人造衛星的觀測，以及大型的望遠鏡都會采用地平經緯台。

簡易的經緯台

人造衛星觀測

由于人造衛星的運動軌跡快速而且與恆星的運動不同，因此地平經緯台使用起來比較方便。

大型的經緯台︰叉式赤道儀

因為大型望遠鏡的重量之故，叉式赤道儀（經緯台）是很有效率的架台。

缺點

因為天文觀測時，必須藉由雙軸的運動來達到位置修正，因此控制系統較為復雜。所以這類望遠鏡往往需要搭配復雜的計算機控制系統一起售出。

由于架台無法以天球北極為參考點，而采用天球北方為參考點。所以架台的初始方為校正頗為困難，必須藉由多顆恆星的數學計算來定向。使用者必須具備較多的天文知識。

若是利用經緯台進行天體攝影時，影像會有「像場旋轉」的現象。必須提供附屬設備來矯正這個情形。

赤道儀

此外若是你想進行天體攝影，望遠鏡本身必須隨著星體的移動也同步跟著轉動。所以望遠鏡必須置于能夠控制精密轉動的架台之上。這種較為專業的架台的結構有許多種類，它們會因為實際的需求而有所改變。至于赤道儀的原理與細節可以參考 其它網頁 上的論述。

德式赤道儀

坊間最常用的赤道儀，控制容易而且結構簡單、牢固。利用極軸望遠鏡快速完成赤道儀的定向，同時使用單軸馬達即可進行星體的追蹤。在天文攝影時不會有「像場旋轉」的困擾。唯一的缺點是，為了動態平衡，望遠鏡必須搭配幾乎與鏡筒等重的重錘，徒增架台的負擔。所以大型的望遠鏡無法采用此種架台。如果望遠鏡的極軸對不正天球北極的話，則會有「像場旋轉」發生。

庫德式赤道儀

大致雖然具有上述德式赤道儀的有缺點。為一不同的是，透過額外的兩個旋轉斜鏡設計，可以讓望遠鏡的目鏡保持不動。這種設計對于大型望遠鏡架設其它科學設備十分便利。所以有許多小型的天文台會采用這種赤道儀以方便作業。當然它必須付出「像場旋轉」的代價。雖然庫德式望遠鏡只是光學系統上的變異設計，但是它卻牽涉到整個赤道儀的機構設計，因此我們在此特別說明。目前台北市立天文館第二觀測室的望遠鏡是由日商GOTO所制造的庫德式望遠鏡。

Q ＆ A

用很大的倍率來觀看恆星，結果會怎樣？

由于恆星的視角很小，所以即使你用數百倍率來觀察恆星，它的影像仍然小的像針點一樣。換句話說，若是用望遠鏡看恆星，像點越小表示其光學質量越好。因此利用恆星的成像點可以作為檢測望遠鏡的光學質量。通常利用攝影的方式記錄恆星時，恆星的像點不若針點般細小的成因︰（1）空氣造成星光的繞射，它的亮度從中心往外以常態分布（Normal Distribition）衰減（2）光學質量欠佳，有可能是像差或是色差引起（3）望遠鏡的高倍率影像造成鏡筒產生繞射的現象，只要使用低倍率的影像就能解決這個問題。當然所謂的高低倍率是相對的，一般使用的適合倍率約為主鏡的口徑（公分）的15倍以下。 var yviContents='http://tw.adserver.yahoo.com/a?f=152955059&p=tw_kfreeho&l=NE&c=sr'; yviR='tw'; yfiEA(0);