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望远镜知识入门

2013-12-08  星之明光




一:望远镜知识入门     

       我们经常听到来购买望远镜的朋友一开口就问:“你们的望远镜能看多远?”、“你们的望远镜能放大多少倍?”、“你们的望远镜能把天上的星星放多大?”……诸如此类的问题反映了公众对于望远镜和天文知识的缺乏。

        所谓“看多远”、“放多大”的提法既不科学,也没有意义,望远镜的品质也决不是这样来评价的。

         
       事实上,“看多远”完全取决于被观测目标的亮度,只要目标足够明亮,不用望远镜也能看到无穷远,譬如我们用肉眼能看到的6000颗左右的恒星,实际上都可认为在无穷远处;而“放多大”更是因缺乏天文基本知识才会提出的问题,这是因为我们所见的“天上的星星”99.9%以上都是恒星,而恒星离我们如此遥远,所以即使用地球上最大的望远镜来观测,它们仍然只是一个个几何亮点(亮点越小,表明望远镜的光学成像质量越高;反之,如果在望远镜中看到恒星有了视面甚至有了颜色,则可断定其光学系统存在严重弊病),只有那些太阳系中的天体(如太阳、行星、卫星、彗星等)或太阳系外有视面的天体(如星云、星系、星团等)才能借助于望远镜放大。
   
       那么“放大倍数”是不是选购望远镜所首先要考虑的性能指标呢?绝对不是!它不但排不上第一,而且如选择过大,将导致成像质量严重恶化。
      
      看到这里,一定有不少朋友感到疑惑:“怎么和我原先想的完全不一样?”

二:天文望远镜的基本光学性能指标

       随着我国教育事业的不断发展,作为六大基础学科之一的天文学越来越受到人们的重视。一些地方的大、中、小学都先后建立了小型天文台、天象厅,天文爱好者的队伍也日益壮大。对于天文爱好者和从事天文科普教学的老师来说,拥有一架品质优良的科普天文望远镜是最基本的要求;经济条件好的单位和个人也希望建造天文圆顶,配置较为专业的天文望远镜和各种先进的终端设备(如CCD照相与传送、处理系统等)。
  
  在天文观测的对象中,有的天体有视面,有的没有可分辨的视面;有的亮度极强,有的又极其暗弱;有的运动快速,有的只作周日旋转……五花八门,千差万别。观测者应根据观测目标和目的,选用不同的望远镜,或采用不同的方法进行观测。一般说来,普及性的天文观测多属于综合性的,要考虑“一镜多用”。所以在选择天文望远镜时,一定要充分了解它的基本性能指标、主要分类和各自的优缺点以及如何正确选购、使用、维护和保养等基本知识。


        天文望远镜的基本光学性能指标
  
        评价一架望远镜的好坏,首先要看它的光学性能,其次看它的机械性能(指向精度与跟踪精度)。光学望远镜的光学性能一般用下列指标来衡量:
  
   1.物镜口径(D)


  望远镜的物镜口径一般指有效口径,也就是通光口径(不是简单指镜头的直径大小),是望远镜聚光本领的主要标志,也决定了望远镜的分辨率(通俗地说,就是看得清看不清)。它是望远镜所有性能参数中的第一要素。望远镜的口径愈大,聚光本领就愈强,愈能观测到更暗弱的天体,看亮天体也更清楚,它反映了望远镜观测天体的能力,因此,爱好者在经济条件许可的情况下,应尽量选择口径较大的望远镜。

     2.焦距(f)


       望远镜的焦距主要是指物镜的焦距。望远镜光学系统往往由两个有限焦距的系统组成,其中第一个系统(物镜)的像方焦点与第二个系统(目镜)的物方焦点相重合。物镜焦距常用f表示,而目镜焦距常用f'表示。

   
        比如F70060天文望远镜的物镜焦距(f)为700mm。目镜PL9的焦距(f')为9mm。物镜焦距f是天体摄影时底片比例尺的主要标志。对于同一天体而言,焦距越长,天体在底片上成的像就
越大。

  
        3.相对口径(A)与焦比(1/A)

        相对口径A又称光力,它是望远镜的有效口径D与焦距f之比,即A=D/f。它的倒数(1/A)叫焦比(即 f/D,照相机上称为光圈数)。例如70060天文望远镜的相对口径A(=60/700)≈1/12,焦比f/D(=700/60) ≈11.67。相对口径越大对观测行星、彗星、星系、星云等延伸天体越有利,因为它们的成像照度与望远镜的相对口径的平方(A2)成正比;而流星或人造卫星等所谓线形天体的成像照度与相对口径A和有效口径D的积(D2/f)成正比。因此,作天体摄影时,要注意选择合适的A或焦比。

  一般说来,折射望远镜的相对口径都比较小,通常在1/15~1/20,而反射望远镜的相对口径都比较大,
常在1/3.5~1/5。观测有一定视面的天体时,其视面的线大小和f成正比,其面积与f2成正比。象的亮度与收集到的光量成正比,即与D2成正比,和象的面积成反比,即与f2成反比。


  4.放大率(或倍数)(G)


  对目视望远镜而言,放大率(倍数)是观测目标的角度放大率(相当于将目标拉近到倍数分之一)。它等于物镜焦距f和目镜焦距f'之比,即放大率(G)=f/f'。如70060天文望远镜若使用H20目镜,则放大率为700/20=56∾(倍),只要变换目镜,对同一物镜就可以改变望远镜的放大倍数,目镜焦距越短,得到的放大倍数就越大,所以我们看到,要提高放大倍数其实并不困难。但是正如在“怎样选择双筒望远镜”一章中已经介绍的那样,放大倍数越高,成的像就越模糊而且越不稳定。因为天文望远镜和显微镜不一样,地面天文观测的效果如何,除仪器的优劣外,还受地球大气的明晰度和宁静度的影响,受观测地的环境等诸多因素的制约。一般每架天文望远镜都配有几个不同焦距的目镜,也就是有几个不同的放大倍率可选用。观测时,绝不是以最大倍率为最佳,而应以观测目标最清晰为准。而且,一架天文望远镜的最大放大倍数也不是可以随意增大的,由于受物镜分辨本领,大气明晰度、宁静度及望远镜出瞳直径不能过小等因素的制约,根据观测目标及大气的实际情况,最大放大率一般控制在物镜口径毫米数的1~2倍。比如70060天文望远镜在大气宁静度极好的情况下,其最大有效放大倍率不应超过2X60=120(倍),在一般情况下,当放大率超过物镜口径毫米数的1倍时,成像质量就不太理想了。

  
  5.视场角(ω)


  能够被望远镜良好成像的天空区域的角直径称为望远镜的视场或视场角(ω)。望远镜的视场往往在设计时已被确定。望远镜的视场与放大率成反比,放大率越大,视场越小。不同的光学系统、不同的成像质量(由像差大小而造成)、不同的口径、不同的焦距,决定了望远镜不同的视场的大小(对天体摄影来说,底片或CCD的尺寸也会约束视场的大小)。反射望远镜的视场最小,一般都小于1度;折射望远镜较大,能达到几度;折反射望远镜的视场最大,能达到十几度甚至几十度。


  6.分辨本领


  望远镜的分辨本领由望远镜的分辨角(δ)的倒数(1/δ)来衡量,分辨角通常以角秒为单位,是指刚刚能被望远镜分辩开的天球上两发光点之间的角距。对于目视望远镜,根据光的衍射原理可推得望远镜的理论分辨角(相对于人眼最敏感的波长λ=555纳米而言)为:δ”=140/D(mm) (式中D为物镜的有效口径)。

  
  由于大气宁静度与望远镜系统像差等的影响,望远镜的实际分辨角要远比理论分辨角大(较好的望远镜也只能介于0.5到2角秒之间)。

  
  望远镜的分辨率越高,越能观测到更暗、更多的天体,看到的像也越清楚。所以说,高分辨率是望远镜最重要的性能指标之一。

  
  7.极限星等(贯穿本领)


  星等是用来表示天体相对亮度(即晴好天气在地面上观测的亮度,而不是它们的真实亮度)的数值,星等数值越大,亮度越小。例如:太阳约为-26.7等、满月(平均亮度)约为-12.7等、天狼星约为-1.6等、织女星约为0.1等、牛郎星约为0.9等、北极星(小熊座α)约为2.1等……1等星约比6等星亮100倍。在晴朗无月的夜间,如果我们将望远镜指向天顶,所能看到的最暗星的星等,称为望远镜的极限星等(也称贯穿本领)。人眼一般能看见的最暗星等为约为6等,而望远镜可以看见的最暗星等主要是由望远镜的有效口径决定的,口径愈大,看见的星等也就愈高(如50毫米的望远镜可看见10等星,500毫米的望远镜就可看到15等星)。当然,实际上除了望远镜的有效口径外,极限星等还与望远镜物镜的吸收系数、大气吸收系数和天空背景亮度等诸多因素有关;对于照相观测,极限星等还与露光时间及底片特性等有关。


        

       天文望远镜型号中的数字代表什么意义?
  
  和双筒望远镜不同的是,天文望远镜型号中并不出现放大倍数,而代之以物镜的焦距。例如:
“70076”表示该望远镜物镜的焦距为700mm,物镜口径为76mm;“1800150” 表示该望远镜物镜的焦距为1800mm,物镜口径为150mm……也有将口径放在焦距之前来表示的,如以上两款望远镜也有表示为“76700”和“1501800”的。不管如何表示,其中数字较大的那个为焦距,数字较小的那个为物镜口径,是不容易搞错的。


        三:天文望远镜的光学系统与机械装置

        根据物镜结构的不同,天文望远镜大致可以分为以下三大类:
  
        1.折射望远镜


  折射望远镜是用透镜作物镜将光线汇聚的系统。世界上第一架天文望远镜就是伽利略制造的折射望远镜,它是采用一块凸透镜作为物镜的,是最简单的一种望远镜。因而有的天文爱好者买了一块透镜,以为就解决了望远镜的物镜问题。其实,由于玻璃对不同颜色光线的折射率不同(导致焦距不同),会产生严重的色差,单块透镜成像还会产生较严重的象差(即“象”与“物”在形状与颜色方面的失真)。举例来说,一颗遥远的恒星在优质望远镜系统中应该成像为一个白色的光点(光点越小其光学系统质量越高,而在劣质望远镜中它会变成一个彩色的光斑——很多人恰恰在这一点上存在模糊概念,举一个真实的例子:在1979~1980年哈雷彗星回归时,我们亲耳听到一些来我们天文系观看哈雷彗星的参观者抱怨说,他们在别处望远镜中看到的哈雷彗星是彩色的,而在我们的望远镜中却是白色的,认为我们的望远镜质量不好,令他们失望,殊不知,他们恰恰是把伪劣与优质弄了个颠倒!)。
因此,现在正规的折射(或折反射)天文望远镜的物镜大都由2~4块透镜组成复合透镜,或采用特殊昂贵的光学玻璃制作(如美国Meade公司的ED系列),或将改正镜的镜面磨制成较为复杂的非球面(如施密特系统)等,用来尽可能消除色差与其他像差(但“残余色差”不可能完全消除)。通常折射望远镜的相对口径较小,即焦距长,底片比例尺(单位角距离的天体在底片上成像的距离)大,从而分辨率高,比较适合于做天体测量方面的工作(如测量恒星的位置、双星的角距等)。当然由于它的相对口径(物镜口径/焦距)较小,星象的亮度(所谓“光力”)会减弱,拍摄暗天体时的曝光时间要增加。

  
  折射望远镜由于对物镜光学玻璃的材质和制作工艺的要求较高,所以成本较高。由于它的镜身特别长,所以限制了它口径的增加,一般业余用的折射天文望远镜口径最大不超过220mm,若再要加大口径,成本将无法承受(相比之下,另两种望远镜的成本要低得多)。但对于小口径望远镜来说,它的制作成本还不算很高,而它的优点是用途较广(既可用于天文观测,也可用来观赏风光),使用和维护较方便,还是比较适合于爱好者选购。

  
       2.反射望远镜
 
  反射望远镜的物镜是反射镜,为了消除像差,一般制成抛物面镜或抛物面镜加双曲面镜组成卡塞格林系统。在这种系统中,天体的光线在进入目镜前只受到反射,目前反射望远镜在天文观测中的应用已十分广泛。由于镜面材料在光学性能上没有特殊的要求,且没有色差问题,也不需要极长的镜筒,因此,它与折射系统相比,可以制成大口径的望远镜,也可以使用多镜面拼镶技术等;而镜面在镀膜后,可获得从紫外到红外波段良好的反射率;因此较适合于进行恒星物理方面的工作(恒星的测光与分光),目前在世界上设计和建造的大口径望远镜是采用的反射系统,遗憾的是反射望远镜的反射镜面需要定期镀膜,故它在科普望远镜中的应用受到了限制。

  反射望远镜由于工作焦点的不同又分为牛顿系统、卡塞格林(R—C)系统(如我国最大的2.16米望远镜)和折轴系统等,业余爱好者使用的反射望远镜为牛顿系统,从外形上看,它与折射与折反射望远镜最大的不同是它的观测目镜在望远镜镜筒的前端(如图)。对业余爱好者来说,其突出的优点是没有色差且价格最低。

  
     由于反射望远镜的反射镜面在观测时是完全敞开在空气中,没有镜筒与物镜等的保护,所以极易受到尘埃与空气中氧气等的污染与氧化,需要定期拆卸下来清洗、镀膜与重新安装校准,这对于没有经验的爱好者来说是相当困难的事。另外,反射望远镜由于视场很小(一般都小于1°),因此它只能用于天文观测,不能用来观赏风光等,这就使得反射望远镜的应用受到了限制。

  
所以对观测经验不足的爱好者来说,我们一般不推荐购买反射望远镜


  3.折反射望远镜

                    
  顾名思义是将折射系统与反射系统相结合的一种光学系统,它的物镜既包含透镜又包含反射镜,天体的光线要同时受到折射和反射。这种系统的特点是便于校正轴外像差。以球面镜为基础,加入适当的折射透镜(也称“改正镜”),用以校正球差,获得良好的成像质量。按照改正镜形状的不同,这类望远镜又分为马克苏托夫—卡塞格林系统和施密特—卡塞格林系统(如美国Meade LX200 GPS-SMT望远镜)。由于折反射望远镜具有视场大、光力强、能消除几种主要像差的优点,适合于观测有视面天体(彗星、星系、弥散星云等),并可进行巡天观测。另外,由于它的光线在镜筒内通过反射走了一个来回,所以与同样焦距的折射望远镜相比,其镜筒缩短了一半以上,使整架望远镜的体积、份量大大减小,便于携带进行流动观测。它美中不足的是改正镜很难磨制,所以成本较高,也无法把口径做得很大。但总的来说,由于它优良的成像质量和轻便性、多用途等突出的优点,很适合天文爱好者使用。

  
天文望远镜的机械装置


  由于地球的自转,天空中的所有天体都围绕着地球的自转轴,沿着天球上的赤纬圈作东升西落的周日运动,因此,望远镜所对准的天体,很快便会跑出视场,望远镜需经常不断地调整方向,才能始终对准目标,这就要求望远镜必须安置在一个可以任意自由调整方向的装置上,这种装置有以下两种类型:


  1.地平式装置

  
  地平装置是望远镜装置中最简单的一种结构形式,它有两根相互垂直的旋转轴,一根位于水平面内,叫水平轴(也即高度轴),可将望远镜在±90°的范围内调节高度;另一根在铅锤方向,叫垂直轴(也即方位轴),可将望远镜在0~360°的范围内调节方位。我们平时所见到的照相机、电影摄影机、摄像机所用的三脚架就是这种地平式装置。望远镜镜筒可以围绕两个轴单独作上下或水平转动。它的优点是结构简单、紧凑,重量对称,稳定性好,造价较低,可架设口径较大的望远镜,圆顶随动控制简单。缺点是由于水平与垂直两个转动方向与天体作周日转动的方向都不一致,所以望远镜在跟踪天体时必须两个轴同时运动,操作比较麻烦;并且长期跟踪时天体的像会在焦平面上旋转,所以不能进行长时间曝光拍摄;另外在天顶处有一无法观测的盲区。

  
  2.赤道式装置


  赤道式装置也有两根相互垂直的轴,一根轴与地球自转轴平行,也即它和地平面的交角等于当地的地理纬度,此轴叫赤经轴(或称极轴),它是跟踪轴,即望远镜在跟踪天体时,围绕其转动。在科普型天文望远镜中,它往往设计成既能手动又能电动跟踪。望远镜围绕此跟踪轴的转速是24h(小时)转一圈,也即15°/h,或15’/min(分钟),与天体的周日运动转速完全一致,所以可以实现望远镜同步跟踪天体的周日视运动,而且跟踪时星象在焦平面上不会旋转,所以可以长时间曝光拍摄。另一根轴叫赤纬轴,望远镜绕它转动时,其指向是沿着与天体的周日运动垂直的方向(即赤纬方向)变化,在跟踪时,望远镜完全不需要绕它旋转,仅仅在找星时才需要绕它转动,因此,科普望远镜大多将望远镜设计成仅能绕赤纬轴手动旋转(在专业望远镜中则必须兼具手动与电动两种功能)。赤道式装置的望远镜按结构主要有德国式、英国式、摇篮式、马蹄式与叉式五种(参见附图),科普天文望远镜采用得最多的是德国式与叉式。


        五种赤道装置


        (a)德国式;(b)英国式;(c)摇篮式;(d)马蹄式(美);(e)叉式(美)

  
  为了在观测时能够较长时间方便地跟踪天体,建议天文爱好者尽量选用赤道式装置的望远镜的光学系统与机械装置。

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