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望遠鏡選購指南（4）︰天文望遠鏡的光學系統與機械裝置

（2005年10月25日 11:27）

□作者:

[1]

天文望遠鏡的光學系統

根據物鏡結構的不同，天文望遠鏡大致可以分為以下三大類︰

　　1.折射望遠鏡

折射望遠鏡是用透鏡作物鏡將光線匯聚的系統。世界上第一架天文望遠鏡就是伽利略制造的折射望遠鏡，它是采用一塊凸透鏡作為物鏡的，是最簡單的一種望遠鏡。因而有的天文愛好者買了一塊透鏡，以為就解決了望遠鏡的物鏡問題。其實，由于玻璃對不同顏色光線的折射率不同（導致焦距不同），會產生嚴重的色差，單塊透鏡成像還會產生較嚴重的象差(即“象”與“物”在形狀與顏色方面的失真)。舉例來說，一顆遙遠的恆星在優質望遠鏡系統中應該成像為一個白色的光點（光點越小其光學系統質量越高，而在劣質望遠鏡中它會變成一個彩色的光斑——很多人恰恰在這一點上存在模糊概念，舉一個真實的例子︰在1979~1980年哈雷彗星回歸時，我們親耳听到一些來我們天文系觀看哈雷彗星的參觀者抱怨說，他們在別處望遠鏡中看到的哈雷彗星是彩色的，而在我們的望遠鏡中卻是白色的，認為我們的望遠鏡質量不好，令他們失望，殊不知，他們恰恰是把偽劣與優質弄了個顛倒！）。

因此，現在正規的折射（或折反射）天文望遠鏡的物鏡大都由2～4塊透鏡組成復合透鏡，或采用特殊昂貴的光學玻璃制作（如美國Meade公司的ED系列），或將改正鏡的鏡面磨制成較為復雜的非球面（如施密特系統）等，用來盡可能消除色差與其他像差（但“殘余色差”不可能完全消除）。通常折射望遠鏡的相對口徑較小，即焦距長，底片比例尺（單位角距離的天體在底片上成像的距離）大，從而分辨率高，比較適合于做天體測量方面的工作（如測量恆星的位置、雙星的角距等）。當然由于它的相對口徑（物鏡口徑／焦距）較小，星象的亮度（所謂“光力”）會減弱，拍攝暗天體時的曝光時間要增加。
折射望遠鏡由于對物鏡光學玻璃的材質和制作工藝的要求較高，所以成本較高。由于它的鏡身特別長，所以限制了它口徑的增加，一般業余用的折射天文望遠鏡口徑最大不超過220mm,若再要加大口徑，成本將無法承受（相比之下，另兩種望遠鏡的成本要低得多）。但對于小口徑望遠鏡來說，它的制作成本還不算很高，而它的優點是用途較廣（既可用于天文觀測，也可用來觀賞風光），使用和維護較方便，還是比較適合于愛好者選購。

　　2.反射望遠鏡

　　反射望遠鏡的物鏡是反射鏡，為了消除像差，一般制成拋物面鏡或拋物面鏡加雙曲面鏡組成卡塞格林系統。在這種系統中，天體的光線在進入目鏡前只受到反射，目前反射望遠鏡在天文觀測中的應用已十分廣泛。由于鏡面材料在光學性能上沒有特殊的要求，且沒有色差問題，也不需要極長的鏡筒，因此，它與折射系統相比，可以制成大口徑的望遠鏡，也可以使用多鏡面拼瓖技術等；而鏡面在鍍膜後，可獲得從紫外到紅外波段良好的反射率；因此較適合于進行恆星物理方面的工作（恆星的測光與分光），目前在世界上設計和建造的大口徑望遠鏡都是采用的反射系統，遺憾的是反射望遠鏡的反射鏡面需要定期鍍膜，故它在科普望遠鏡中的應用受到了限制。
　　反射望遠鏡由于工作焦點的不同又分為牛頓系統、卡塞格林（R—C）系統（如我國最大的2.16米望遠鏡）和折軸系統等，業余愛好者使用的反射望遠鏡多為牛頓系統，從外形上看，它與折射與折反射望遠鏡最大的不同是它的觀測目鏡在望遠鏡鏡筒的前端（如圖）。對業余愛好者來說，其突出的優點是沒有色差且價格最低。

由于反射望遠鏡的反射鏡面在觀測時是完全敞開在空氣中，沒有鏡筒與物鏡等的保護，所以極易受到塵埃與空氣中氧氣等的污染與氧化，需要定期拆卸下來清洗、鍍膜與重新安裝校準，這對于沒有經驗的愛好者來說是相當困難的事。另外，反射望遠鏡由于視場很小（一般都小于1°），因此它只能用于天文觀測，不能用來觀賞風光等，這就使得反射望遠鏡的應用受到了限制。

所以對觀測經驗不足的愛好者來說，我們一般不推薦購買反射望遠鏡

　　3.折反射望遠鏡

　　顧名思義是將折射系統與反射系統相結合的一種光學系統，它的物鏡既包含透鏡又包含反射鏡，天體的光線要同時受到折射和反射。這種系統的特點是便于校正軸外像差。以球面鏡為基礎，加入適當的折射透鏡（也稱“改正鏡”），用以校正球差，獲得良好的成像質量。按照改正鏡形狀的不同，這類望遠鏡又分為馬克甦托夫—卡塞格林系統和施密特—卡塞格林系統（如美國Meade LX200 GPS-SMT望遠鏡）。由于折反射望遠鏡具有視場大、光力強、能消除幾種主要像差的優點，適合于觀測有視面天體（彗星、星系、彌散星雲等），並可進行巡天觀測。另外，由于它的光線在鏡筒內通過反射走了一個來回，所以與同樣焦距的折射望遠鏡相比，其鏡筒縮短了一半以上，使整架望遠鏡的體積、份量大大減小，便于攜帶進行流動觀測。它美中不足的是改正鏡很難磨制，所以成本較高，也無法把口徑做得很大。但總的來說，由于它優良的成像質量和輕便性、多用途等突出的優點，很適合天文愛好者使用

天文望遠鏡的機械裝置

　　由于地球的自轉，天空中的所有天體都圍繞著地球的自轉軸，沿著天球上的赤緯圈作東升西落的周日運動，因此，望遠鏡所對準的天體，很快便會跑出視場，望遠鏡需經常不斷地調整方向，才能始終對準目標，這就要求望遠鏡必須安置在一個可以任意自由調整方向的裝置上，這種裝置有以下兩種類型︰

　　1.地平式裝置
　　地平裝置是望遠鏡裝置中最簡單的一種結構形式，它有兩根相互垂直的旋轉軸，一根位于水平面內，叫水平軸（也即高度軸），可將望遠鏡在±90°的範圍內調節高度；另一根在鉛錘方向，叫垂直軸（也即方位軸），可將望遠鏡在0～360°的範圍內調節方位。我們平時所見到的照相機、電影攝影機、攝像機所用的三腳架就是這種地平式裝置。望遠鏡鏡筒可以圍繞兩個軸單獨作上下或水平轉動。它的優點是結構簡單、緊湊，重量對稱，穩定性好，造價較低，可架設口徑較大的望遠鏡，圓頂隨動控制簡單。缺點是由于水平與垂直兩個轉動方向與天體作周日轉動的方向都不一致，所以望遠鏡在跟蹤天體時必須兩個軸同時運動，操作比較麻煩；並且長期跟蹤時天體的像會在焦平面上旋轉，所以不能進行長時間曝光拍攝；另外在天頂處有一無法觀測的盲區。

　　2.赤道式裝置
　　赤道式裝置也有兩根相互垂直的軸，一根軸與地球自轉軸平行，也即它和地平面的交角等于當地的地理緯度，此軸叫赤經軸（或稱極軸），它是跟蹤軸，即望遠鏡在跟蹤天體時，圍繞其轉動。在科普型天文望遠鏡中，它往往設計成既能手動又能電動跟蹤。望遠鏡圍繞此跟蹤軸的轉速是24h(小時)轉一圈，也即15°/h,或15’/min(分鐘)，與天體的周日運動轉速完全一致，所以可以實現望遠鏡同步跟蹤天體的周日視運動，而且跟蹤時星象在焦平面上不會旋轉，所以可以長時間曝光拍攝。另一根軸叫赤緯軸，望遠鏡繞它轉動時，其指向是沿著與天體的周日運動垂直的方向（即赤緯方向）變化，在跟蹤時，望遠鏡完全不需要繞它旋轉，僅僅在找星時才需要繞它轉動，因此，科普望遠鏡大多將望遠鏡設計成僅能繞赤緯軸手動旋轉（在專業望遠鏡中則必須兼具手動與電動兩種功能）。赤道式裝置的望遠鏡按結構主要有德國式、英國式、搖籃式、馬蹄式與叉式五種（參見附圖），科普天文望遠鏡采用得最多的是德國式與叉式。

五種赤道裝置

(a)德國式；（b）英國式；（c）搖籃式；（d）馬蹄式（美）；（e）叉式（美）

　　

　　為了在觀測時能夠較長時間方便地跟蹤天體，建議天文愛好者盡量選用赤道式裝置的望遠鏡。

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責任編輯:skylook

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