在剛接觸天文時(shí)，我只有一架8英寸的配備有德國(guó)赤道儀裝置的望遠(yuǎn)鏡，當(dāng)時(shí)那是一架大型望遠(yuǎn)鏡，并帶有一個(gè)舊的C-8部件，對(duì)于那些擁有小汽車或跑車的人來(lái)說(shuō)這是一個(gè)新奇的玩意兒。我用一架4.5英寸的反射望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)，那時(shí)我叔叔在一次天文學(xué)會(huì)上買來(lái)送給我的—這架望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)裝置至今仍在使用。幾年后，一種廉價(jià)的地平設(shè)計(jì)的望遠(yuǎn)鏡風(fēng)靡了所有天文愛(ài)好者—道布森革命給我們帶來(lái)了很大的沖擊。在20世紀(jì)80年代中期，我把望遠(yuǎn)鏡升級(jí)成10英寸的Coulter dob。很快廣角目鏡迅速取代了窄視普羅素，成為觀測(cè)者的首選。到了20世紀(jì)90年代初，計(jì)算機(jī)革命迅速普及，我們開(kāi)始用計(jì)算機(jī)控制的望遠(yuǎn)鏡、CCD照相機(jī)進(jìn)行觀測(cè)，并通過(guò)網(wǎng)上的天文愛(ài)好者論壇進(jìn)行交流。——摘自《劍橋天文愛(ài)好者指南》前言

望遠(yuǎn)鏡是人類了解宇宙的“眼睛”，借助這雙特殊的眼睛，人類得以不斷探測(cè)宇宙的奧秘。許多科學(xué)家都曾自己制作望遠(yuǎn)鏡，如伽利略就曾于1609年初做成了自己的望遠(yuǎn)鏡，他利用自制的望遠(yuǎn)鏡成功觀測(cè)到了月球環(huán)形山、太陽(yáng)黑子、土星光環(huán)以及水星、金星的盈虧現(xiàn)象。牛頓也于1668年制成了第一架實(shí)用的反射望遠(yuǎn)鏡。

人們利用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)星空

一架望遠(yuǎn)鏡也是一個(gè)天文觀測(cè)者必不可少的工具。那么了解望遠(yuǎn)鏡的一些基本知識(shí)就成了天文愛(ài)好者的必修課。

幾百年來(lái)，望遠(yuǎn)鏡不斷發(fā)展，但望遠(yuǎn)鏡的原理一直沿用至今。傳統(tǒng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡根據(jù)光路結(jié)構(gòu)不同，大致分為三類：折射望遠(yuǎn)鏡、反射望遠(yuǎn)鏡及折反射望遠(yuǎn)鏡。

湖南科學(xué)技術(shù)出版社出版的《劍橋天文愛(ài)好者指南》對(duì)各種類型的望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，包括折射望遠(yuǎn)鏡、反射望遠(yuǎn)鏡、R-C望遠(yuǎn)鏡、折反射望遠(yuǎn)鏡，還提供了一些獨(dú)特的望遠(yuǎn)鏡的參考網(wǎng)站。這里主要摘取其對(duì)“折射望遠(yuǎn)鏡”介紹的內(nèi)容。

劍橋天文愛(ài)好者指南 湖南科學(xué)技術(shù)出版社 2021.07

精 彩 試 讀

折射望遠(yuǎn)鏡

折射是當(dāng)光從一種介質(zhì)進(jìn)入到另一種介質(zhì)、例如從空氣入射到玻璃中時(shí),所產(chǎn)生的光線彎曲的現(xiàn)象。折射望遠(yuǎn)鏡利用了這一原理、通過(guò)使用曲面透鏡來(lái)工作。當(dāng)光線從空氣進(jìn)入透鏡,再穿過(guò)透鏡回到空氣中時(shí)，它的方向會(huì)變得傾向透鏡光軸。如果透鏡的表面形狀合適，光線會(huì)射到焦點(diǎn)上。

第一架折射望遠(yuǎn)鏡是由荷蘭的眼鏡商里帕席( Hans Lippershey，1570-1619)制作的。他在1608年10月2日提交了一份專利申請(qǐng):“一架能使遠(yuǎn)方的物體看起來(lái)變近的儀器?！彼^儀器是個(gè)筒狀物，在前面安放了一塊凸透鏡，在后面則安裝一塊凹透鏡,眼睛在凹透鏡后面觀察。這個(gè)儀器能把物體放大3倍。在當(dāng)時(shí)就有到底是誰(shuí)第一個(gè)發(fā)明了這種儀器的爭(zhēng)論，所以這個(gè)專利申請(qǐng)從未被批準(zhǔn)過(guò)。意大利的發(fā)明家伽利略( Galileo Galilei 1564-1642)則在1609年初做成了自己的望遠(yuǎn)鏡,他是第一個(gè)把望遠(yuǎn)鏡指向天體的人,而他的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了天文學(xué)的革命。

意大利佛羅倫薩烏菲齊廣場(chǎng)外的伽利略雕塑

你也許知道早期望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)質(zhì)量是很糟糕的。望遠(yuǎn)鏡所用的透鏡有著各式各樣的像差。望遠(yuǎn)鏡制造者們發(fā)現(xiàn)如果把透鏡的焦比做得比較長(zhǎng)，那么這些像差就會(huì)減小。在這些發(fā)明家中最著名的恐怕要數(shù)荷蘭天文學(xué)家惠更斯(Christiaan Huygens, 1629-1695) 和和德國(guó)天文學(xué)家赫維留( Johannes Hevelius)了。惠更斯分別制成了焦距為36米、7米和長(zhǎng)達(dá)37.5米的望遠(yuǎn)鏡,并用它們作出了重大的發(fā)現(xiàn)，包括首次證認(rèn)出土星環(huán)的本質(zhì)。他還嘗試消減物鏡帶來(lái)的色差問(wèn)題，并在望遠(yuǎn)鏡鏡筒內(nèi)安裝光闌來(lái)減小鏡筒內(nèi)壁反射光的影響。赫維留更是制作了焦距為18米、22米和46米的巨型望遠(yuǎn)鏡!這些望遠(yuǎn)鏡有很多組件，安裝在木頭框架里，用滑輪來(lái)操作。需要一組助手的幫助才能移動(dòng)。除了非常難于準(zhǔn)確指向目標(biāo)外，只要有一點(diǎn)微風(fēng)望遠(yuǎn)鏡就搖晃得沒(méi)法用了。早期透鏡存在的問(wèn)題之一是色差的現(xiàn)象。白光是由各種顏色構(gòu)成的。不幸的是不同顏色的光通過(guò)單透鏡后并不會(huì)聚到同一個(gè)焦點(diǎn)上，藍(lán)光比紅光會(huì)聚得更厲害些。

色差。一塊單透鏡無(wú)法使各種顏色的光會(huì)聚到同一個(gè)焦點(diǎn)上。

1729年,霍爾( Chester Moore Hal.1703—1771)設(shè)計(jì)出一種透鏡,由一塊冕牌玻璃和一塊火石玻璃組成，它的成像在一定程度上沒(méi)有色差，所以這種透鏡被稱為消色差的。當(dāng)時(shí)，望遠(yuǎn)鏡制造是一樁有利可圖的大生意,所以霍爾在秘密地工作。他找了兩家光學(xué)工廠分別加工冕牌玻璃和火石玻璃的透鏡。霍爾制成的消色差透鏡直徑為2.5英寸,焦距20英寸。這是一項(xiàng)里程碑式的成就,想想僅在60年前,連牛頓這樣的權(quán)威都聲稱消色差透鏡是不可能做出來(lái)的。

一具兩片的消色差物鏡使得紅光和藍(lán)光會(huì)聚到同一個(gè)焦點(diǎn)，從而極大地降低了色差。

到19世紀(jì),玻璃和消色差透鏡的制造質(zhì)量有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。一個(gè)有力的例證就是1819年由約瑟夫·夫瑯和費(fèi)( Joseph Fraunhofer,1787-1826)為多爾巴特折射望遠(yuǎn)鏡( Dorpat,俄國(guó)地名)磨制的透鏡。這只透鏡口徑有240毫米,焦比為17.7，它的品質(zhì)與今天制造的消色差透鏡相比毫不遜色。斯特魯維(F.G.W.Struve)就是用這架望遠(yuǎn)鏡搜尋和測(cè)量雙星。當(dāng)你在現(xiàn)在的雙星星表中看到符號(hào)Σ時(shí),就代表當(dāng)時(shí)斯特魯維用這架望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的一對(duì)雙星。在19世紀(jì)中葉的美國(guó)，阿爾文·克拉克(Alvin Clark,1804-1887)和他的兒子們開(kāi)始制造高質(zhì)量的望遠(yuǎn)鏡。在他們制成的大大小小的望遠(yuǎn)鏡中，巔峰之作是1897年投入使用的有史以來(lái)最大的折射望遠(yuǎn)鏡:芝加大學(xué)葉凱士天文臺(tái)的1.016米直徑的折射鏡。

到了20世紀(jì)，消色差透鏡的技術(shù)仍在不斷改進(jìn)。在20年代，兩個(gè)問(wèn)題被解決了。一個(gè)是當(dāng)光從空氣中進(jìn)入透鏡時(shí)因?yàn)椴ＡП砻娴姆瓷涠斐傻墓饽軗p失；另一個(gè)是光在透鏡組內(nèi)部表面的反射。這兩個(gè)難題被克拉克和德國(guó)的蔡斯公司克服。他們?cè)O(shè)計(jì)出用油隔離的物鏡組。鏡片之間的油消除了透鏡組內(nèi)部的反射,使得每個(gè)表面的透過(guò)率增大了2%。同時(shí)透鏡表面的一些小的瑕疵所造成的影響也被減弱了。對(duì)這種鏡頭組的密封必須近乎完美,否則熱脹冷縮所造成的變形會(huì)導(dǎo)致漏油的后果。同時(shí)經(jīng)過(guò)10年左右,油會(huì)變得污濁而需要更換。20世紀(jì)50年代,鍍膜技術(shù)(特別是氟化鎂膜)有很大的提高,使得人們可以不必再靠油來(lái)消除鏡頭內(nèi)部的反射和減小玻璃介面反射造成的光損失。之后,一種由氟化鈣(螢石)構(gòu)成的新型玻璃也被發(fā)明出來(lái)。(第一架使用了螢石物鏡的望遠(yuǎn)鏡是日本的高橋公司于1977年制成的)。1951年,聯(lián)合貿(mào)易公司( United Trading Company)開(kāi)始銷售高品質(zhì)的Unitron系列折射望遠(yuǎn)鏡。從50年代到70年代,Unitron發(fā)動(dòng)了強(qiáng)大的廣告攻勢(shì)(在此期間的每期《天空和望遠(yuǎn)鏡》雜志上都可見(jiàn)到它的廣告)。所有Unitron望遠(yuǎn)鏡都裝有經(jīng)過(guò)精密校正的空氣分離消色差物鏡。第一個(gè)宣稱“無(wú)色差”的望遠(yuǎn)鏡物鏡是由天體物理公司(Astro-Physies,Inc.)的克里斯頓(Roland Christen)于1981年推出的一款三片透鏡系統(tǒng)。那時(shí)只有兩種“復(fù)消色差”可以提供,都是f/11的鍍氟化鎂膜空氣分離三片系統(tǒng)。小一點(diǎn)的是150毫米口徑，大的為200毫米口徑。在《天空和望遠(yuǎn)鏡》1981年10月號(hào)上刊登了 Christen的文章:一款復(fù)消色差的三合物鏡。這是復(fù)消色差折射望遠(yuǎn)鏡的新紀(jì)元的開(kāi)始。

注意:盡管復(fù)消色差透鏡被稱為“無(wú)色差”的,實(shí)際上不同波長(zhǎng)的光線仍然不會(huì)嚴(yán)格地會(huì)聚到同一個(gè)焦點(diǎn)上,但其聚焦確實(shí)比普通消色差透鏡好得多。現(xiàn)在的復(fù)消色差物鏡通常由2片或者4片透鏡組成,其中至少有一片是由螢石或者超低色散(ED)玻璃制成,進(jìn)一步校正了色差。

托馬斯·貝克(Thomas Back)是高級(jí)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師,也是位于俄亥俄州Cleveland的TMB光學(xué)公司的所有人。他給出了一個(gè)關(guān)于復(fù)消色差物鏡的全面的定義：明視覺(jué)的峰值響應(yīng)位于以555m為中的可見(jiàn)光譜區(qū)的黃綠光譜的部分。如果在此波長(zhǎng)上,望遠(yuǎn)鏡物鏡成像的Strehl系數(shù)達(dá)到或者高于0.95；彗星象差在全口徑范圍內(nèi)得到校正；在從C譜線到F譜線之間的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的最大波像差小于1/4波長(zhǎng)；對(duì)紫色的G譜線，波像差的峰谷值小于1/2波長(zhǎng)、那么這個(gè)物鏡滿足現(xiàn)代對(duì)于復(fù)消色差的定義。達(dá)到這種品質(zhì)的物鏡無(wú)二級(jí)色差,成像極為銳利、反差甚高。

兩種類型的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。d是口徑，4d是焦距。因?yàn)榻咕嗍?倍的口徑，所以兩個(gè)都是f/4的系統(tǒng)。

折射望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)點(diǎn)高質(zhì)量的消色差和復(fù)消色差望遠(yuǎn)鏡在一些方面比反射鏡優(yōu)越。首先，折射鏡的整個(gè)物鏡口徑內(nèi)沒(méi)有任何遮擋、因此入射光線不會(huì)被中間的遮擋物所衍射、散射到暗處，因此一般折射鏡成像的反差較大。折射鏡還通常被看作是行星和雙星觀測(cè)的首選設(shè)備。折射鏡的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是易于保養(yǎng)。透鏡不需要被經(jīng)常地重新鍍膜，而且，裝配好的鏡筒通常無(wú)需調(diào)整準(zhǔn)直。透鏡固定在鏡筒中，光軸不太容易偏離、也不容易損壞。折射望遠(yuǎn)鏡的缺點(diǎn)因?yàn)檎凵溏R的鏡筒是封閉的、它需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到周圍環(huán)境的溫度?，F(xiàn)在的制鏡筒已經(jīng)大大縮短了熱平衡所需的周期，但在實(shí)際觀測(cè)中仍然需要考慮這一因素。第二個(gè)缺點(diǎn)是，消色差物鏡的成像仍然有一點(diǎn)色差,表現(xiàn)為在月亮或者木星這樣明亮目標(biāo)的周圍可以看到暗暗的彩邊。折射望遠(yuǎn)鏡最大的缺點(diǎn)是大口徑消色差和復(fù)消色差透鏡的昂貴價(jià)格。因?yàn)橐粋€(gè)三片的復(fù)消色差物鏡有6個(gè)表面需要加工。一個(gè)150毫米的復(fù)消色差透鏡的成本至少是只有一個(gè)鏡面需要加工的同口徑高質(zhì)量反射鏡的10倍。

文章摘自于《劍橋天文愛(ài)好者指南》

劍橋天文愛(ài)好者指南 [美]邁克爾.E.白凱奇著 湖南科學(xué)技術(shù)出版社 2021.07

本書內(nèi)容包括了天文觀測(cè)技巧，望遠(yuǎn)鏡與天文臺(tái)，互聯(lián)網(wǎng)資源以及可供研究的天體目標(biāo)等。剛剛?cè)腴T的新手可以從中學(xué)到大量的技巧和竅門，學(xué)會(huì)如何開(kāi)始對(duì)星空的探索。本書還包含了一些精確數(shù)據(jù)和精美彩色插圖。無(wú)論初級(jí)愛(ài)好者還是觀測(cè)老手們，這都是一部很好的指南。