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折射天文镜光学知识简明阐述

(2008年06月14日 22:41:00)

□作者: 余刚(MGXY)

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 一年多没来论坛了,最近时间稍空,看到论坛的朋友又多了很多,这反映了我国的业余天文爱好者队伍越来越壮大,同时也看到其中有不少的大侠级人物,这有助于我们(器材、观测)水平的提高。但是也看到大多数的人不具有基础的光学知识,缺乏根据自身的实际情况选择器材的参考。也有些凭主观的经验对器材的评论,还有美化或者批评某些器材的议论。我认为具有较高知识(各方面)的大侠们有责任义务将正确的知识传输给需要的爱好者。

  作为厂家,要得到大家的信赖,在宣传上要实事求是,不扬长避短或夸大事实,在技术指标上尽量详细(比如标注的分辨率是在在什么波长范围内),这样有助于用户了解产品的性能。

  很多人对折射镜中的好些概念不很清楚,有的还混为一谈,下面对有关折射镜的一些问题做简要说明,光学中很多比较难懂,用大致像近的叙述有助于理解。
大家知道,光波经过透镜折射后,不同波长的光的焦点位置也不同,长波长的红光将比短波长的紫光焦点位置要远一些,这就是我们通常意义上说的色差(色差实际上有很多种,这里只笼统的讲对我们影响比较大的一类)。消色差系统(双胶合、双分离结构的都是)是把肉眼敏感波长的两端C(红色)、F(兰色)校正到同一位置,(校正色差通常是在入瞳的0.707环带,在0.707环带将色球差校正为0后,+/- 差值将大体上相互抵消掉)。虽然校正了C、F=0,但是他们与其他波长的光还是有一定的距离,通常是与D(黄光)或E(绿色)比较,他们之间的距离就是二级光谱,二级光谱是影响我们观测的主要因数之一,我们看到的色差也实际上基本是它造成的。二级光谱又所选用的光学玻璃决定,也就是说,一旦选定所使用的光学玻璃后,二级光谱的大小也就被决定了,选用低色散冕玻璃(ED或萤石)与合适的火石玻璃配合可大大减小二级光谱。如果采用三片结构的设计,在选用合适的玻璃组合后可以做到复消色差,也就是把C、D、F或C、E、F三个波长的二级光谱校正到相当小的程度或完全消除,能大大提高系统的光学性能,但是其他波长的光还有不太小的差距。系统的性能还不能满足APO(高度消色差)的要求。
 看到这里,大家多少该有些概念了吧?可能还有点难懂,没关系,再来看看设计实例。我在这里做了4个设计的例子,分别是:双分离普通消色差结构、使用了超级 ED玻璃的两片结构、三片普通复消色差、使用了性能不太好的ED玻璃的三片高度消色差。参见付图,图中分为图一、图二、图三、图四4个部分,每个部分又分为色球差曲线图与点阵图两部分。虽然用调制传递函数来表示更为合理,但是大家理解起来比较困难。
 为了方便对比,4个设计都是口径102焦距816(焦比F8),色球差图的纵坐标表示入瞳半径,校正色差要在0.707位置。横坐标为焦距,中心0刻度代表系统的焦点位置(816MM)最大刻度为 -/+ 2MM(图一)。后三个图的最大刻度为 -/+ 1MM,如果也用图一的-/+2MM刻度将一点细节也看不清楚了。点阵图可以理解为恒星在焦点位置上成像的斑点大小,横列表示不同波长的光的斑点直径,纵列表示轴心、偏轴0.25度、偏轴0.5度视场的斑点直径。斑点位置的黑色圆圈表示设定条件下(口径、焦比)的衍射极限刻度。在0度视场的位置还有个标尺,表示40UM的刻度。
 图一是最普通的双分离设计,使用最通用的K9玻璃与重火石玻璃,在0.707环带对C、F校正色差后,可以在图上部的色球差图中可以看到,它们与参考波长 E(绿光)之间的距离还有约0.45MM左右,0.45/816= 1/1813F,至于可见光两端的R(深红)、G(深紫)就相差更大了。再来看下部的点阵图,可以看到,从530波长至610波长之间的区域(也是肉眼最敏感的区域),斑点直径基本达到或接近衍射极限,如果把这个范围以外的光滤掉,那么她能够达到或接近理论分辨率极限。但是要损失掉相当的能量。偏离这个区域外,斑点直径迅速扩大,到C、F波长时,斑点达到了衍射极限的5--7倍,由于肉眼对这些波长还比较敏感,最直接的结果就是我们看亮恒星的时候在恒星周围有大面积的紫色光晕(红+蓝=紫)。在看行星或月球的时候,在明暗边缘也有紫色光晕。由于色差的影响,会掩盖很多细节。实际上看到的光晕不一定是紫色,调焦不精确或像场不平可能看到的是红色/兰色或其他色。选用玻璃组合的不同可得到不同的二级光谱值,但是只要没有使用特殊性能的玻璃,他们的差距不是很大的,不可能做得很好。但是不要以为二级光谱大就性能很差,实际上,通过合理的优化设计,F8的中焦比的色差是基本可以接受的,焦比大于F6大概只适合深空观测了,焦比小于F10就应该说对观测影响相当小。还有一点,在相同的焦比下,口径越大,色差越明显。

  图二是使用了超级ED(性能基本接近萤石)玻璃与特殊色散玻璃配合设计的双分离结构,C、E、F二级光谱只有0.04MM(1/20400),最远的G(紫光)为0.23MM
二级光谱的减小带来的最直接好处就是斑点更小,参看图二下半部,可看到大部分波长的光形成的斑点都小于衍射极限,蓝光和紫光虽然比衍射极限大,但是主要能量(大于70%)都在衍射极限内,实际我们能看到的色差非常微弱。高桥的FS102指标与这个图像近。这样的效果一般都表注APO(高度消色差),严格的说与APO多少还是有点差距。

  图三是使用不太常用的普通玻璃设计的三片复消色差结构,就C、E、F而言,完全校正了二级光谱,大家可看到C、E、F在0.707环带附近完全相交。但是相对于别的波长光,还有一定的二级光谱,特别是两端的R、G距离系统焦点还比较远。从点阵图看,斑点都小到一定程度,除G波长外,能量都主要集中在衍射极限内,比较有效的消除了色差。

  图四是使用低档的ED低色散玻璃与特殊色散玻璃配合的三片结构,从色球差图可看到,在0.707环带位置,从R到G的全部可见光的二级光谱都校正到0.04以内。点阵图上C---F都小于衍射极限、R与G也小于3倍衍射极限,完全满足现代APO的要求。如果使用更好的ED玻璃或萤石,可得到更好的结果。

  优秀的APO镜不仅仅满足高度消色差,还具有大的视场范围,平直的像场,优异的成像质量与细节分辨能力是同口径的反射镜、折反射镜远不能相比,这就是高级爱好者追求APO镜的主要原因,当然优异的光学材料、高精密的光学/机械加工都是需要付出高额的代价。

  由于自己所学有限,或许有错,请大侠们指正。

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文章作者:余刚(MGXY)
责任编辑:skylook

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文章评论:
  1. (2011年08月13日 16:46:09 - 游客)

  2. (2009年03月03日 14:31:16 - 游客)
    没图???
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