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望远镜

二、反射式望远镜——牛顿式、卡塞格林式、折轴式

时间:2024/3/2 22:21:47   作者:郑士利   来源:正势利   阅读:158   评论:0
内容摘要:按观测波段分类射电望远镜、红外望远镜、光学望远镜(可见光望远镜)、紫外望远镜、X射线望远镜和γ射线望远镜。光学望远镜按光路设计又可分:折射式望远镜(伽利略式、开普勒式)、反射式望远镜(牛顿式、卡塞格林式)和折反射式望远镜(施密特-卡塞格林、马克苏托夫-卡塞格林)。反射望远镜是使用曲面和平面的面镜组合来反射光线,并形成影...

按观测波段分类

射电望远镜红外望远镜光学望远镜(可见光望远镜)、紫外望远镜X射线望远镜γ射线望远镜

    光学望远镜按光路设计又可分:折射式望远镜(伽利略式、开普勒式)、反射式望远镜(牛顿式、卡塞格林式)和折反射式望远镜(施密特-卡塞格林、马克苏托夫-卡塞格林)。

    反射望远镜是使用曲面和平面的面镜组合来反射光线,并形成影像的光学望远镜,而不是使用透镜折射或弯曲光线形成图像的屈光镜。

简介

    反射式望远镜所用物镜为凹面镜,有球面和非球面之分;比较常见的反射式望远镜的光学系统有牛顿式反射望远镜与卡塞格林式反射望远镜。反射式望远镜的性能很大程度上取决于所使用的物镜。通常使用的球面物镜具有容易加工的特点,但是如果所设计的望远镜焦比比较小,则会出现比较严重的光学球面像差;这时,由于平行光线不能精确的聚焦于一点,所以物像将会变得模糊。因而大口径,强光力的反射式望远镜的物镜通常采用非球面设计,最常的非球面物镜是抛物面物镜。由于抛物面的几何特性,平行于物镜光轴的光线将被精确的汇聚在焦点上,因而能大大改善像质。但即使是抛物面物镜的望远镜仍然会存在轴外像差。

基本认识

    用反射镜作物镜的望远镜。反射望远镜光学性能的重要特点是没有色差。其他像差在理论上虽然可以得到消除,但工艺复杂,实用的反射望远镜为了避免像差,视场一般比较小,可以通过像场改正透镜扩大视场。反射镜的材料要求膨胀系数小,应力较小和便于磨制。镜面通常镀铝,在红外区及紫外区都能得到 较好的反射率。反射望远镜的镜筒一般比较短,便于支撑。现代高科技反射望远镜还具有镜面自适应光学系统和主动光学系统,可以补偿大气扰动干扰和镜面应力及风力引起的变形抖动。

技术考量

    一个弯曲的主镜是反射望远镜基本的光学元件,并且在焦平面上造成影像。从面镜到焦平面的距离称为焦长(焦距),底片或数位感应器可以在此处记录影像,或是安置目镜以便眼睛能观看。反射镜虽然能够消除色差,但是仍然有其他的像差:

当使用非抛物面镜时会有球面像差(成像不在平面上)。

彗形像差

畸变(视野)

    在反射器的设计和修正上会使用折反射器来消除其中的一些像差。

    几乎所有用于研究的大型天文望远镜都是反射镜,有下列的原因:

    在采用透镜之下,必须整块镜片材料皆为没有缺点和均匀而没有多相性,而反射镜只需要将一个表面完美的磨光,磨制相对简易。

    不同颜色的光在穿透介质时会有不同的播速度。对未做修正的透镜,这会造成折射镜特有的色差。制作大的消色差透镜所费不贷,面镜则完全没有这个问题。

    反射镜可以在更广阔的范围内研究光谱,但有些波长在穿过折射镜或折反射镜的透镜时会被吸收掉。

    大口径透镜在制造和操作上都有技术上的困难。其一是所有的材料都会因为重力而下垂,观测举得最高而且也是相对较重的透镜只能在镜片周围加以支撑,另一方面,面镜除了反射面以外,可以在反射面的背面和其他的侧边进行支撑。

    当业余天文学还在使用牛顿焦点的设计时,专业天文学已经倾向于使用主焦点、卡塞焦点和库德焦点的设计。在2001年,至少已经有49架口径2米或更大的反射望远镜采用主焦点的设计。

基本分类

    反射望远镜由于工作焦点的不同分为主焦点系统牛顿系统卡塞格林系统格里高里系统折轴系统等,通过镜面的变换,在同一个望远镜上可以分别获得主焦点系统( 或牛顿系统)卡塞格林系统折轴系统。这些系统的焦点,分别称为主焦点、牛顿焦点、卡塞格林焦点、格里高里焦点和折轴焦点等。单独用上述一个系统作望远镜时,分别称为牛顿望远镜、卡塞格林望远镜、格里高里望远镜、折轴望远镜。 大型光学反射望远镜主要用于天体物理研究,特别是暗弱天体的分光、测光以及照相工作。

反射式望远镜

    反射式望远镜主要采用一块抛物面反射镜作为主镜,望远镜焦点位于主镜前方。牛顿在磨制透镜多次失败的情况下决定用反射镜代替透镜作为主镜,并用一块平面镜将光线从侧面引出镜筒,发明了牛顿式反射望远镜。

    卡塞格林修改了牛顿式反射望远镜的光路,将镜筒中的平面镜改为曲面镜,并从主镜后方将光路引出镜筒,由此发明了卡塞格林式反射望远镜。卡塞格林式望远镜提高了主镜的焦长,提升了望远镜的放大倍率。反射镜相比折射镜最大的特点是需要镀膜。

牛顿的预言

    人们很早就知道,正透镜和凹面镜的效果在某种程度上类似,既然折射望远镜可以工作,那么反射式望远镜的设计,也就是理所应当的事。很快,各种各样的设计出现了,其中最著名的就是梅森(MarinMersenne)在1636年的设计。

    但在当时而言,梅森的设计太超前了,甚至连伽利略、笛卡尔等人(René Descartes)都看不懂。梅森曾经打算自己建造反射式望远镜,但笛卡尔拦住了他,因为梅森望远镜的镜面是抛物面的,而在当时,制造抛物面反射镜是个巨大的挑战。其实笛卡尔是正确的,当时不止梅森,诸如格里高利(James Gregory)、卡塞格林(Laurent Cassegrain)等人都有反射望远镜的设计,但都困在了镜面制作工艺上。直到1668年,牛顿采用了一个折中方案,放弃了抛物面反射镜,而采用简单的球面反射镜,才做出了真正第一台反射式望远镜。

    即便如此,牛顿这架反射式望远镜依然无法匹敌当时的折射式望远镜。金属反射镜面的反射率低,镜面精度等问题都大大影响了成像。金属镜面随着温度的变化很大,它的膨胀和收缩要比玻璃大得多,这还不包括氧化带来的烦恼。但牛顿敏锐地指出了一个问题:反射式望远镜是没有色差的,以后必然是反射式望远镜的天下。这正点中了折射式望远镜的死穴。

    由于主镜换成了面镜,使用了光学中反射的原理,所以反射式天文望远镜的聚焦点是置于前端,且指向观测目标的,因此,反射式与折射式相比,它多了块副镜,用于进行光线的二次反射,改变其光线传播路径。副镜的位置与种类不同,也决定了望远镜观测口位置的不同。根据刘学富先生在《基础天文学》一书中的内容,反射式天文望远镜大致分为四种类型。

二、反射式望远镜——牛顿式、卡塞格林式、折轴式

    与折射式天文望远镜相比,上述四类反射式天文望远镜镜筒都呈开放式,因此在观测时空气进去后流动造成的成像不稳定及镜筒内部保养,是反射式天文望远镜最大的缺点。可详见下图牛顿式反射望远镜的例子。

    当然,它的优点也是比较明显的,比如造价相对便宜、主镜可以由多面镜片拼接从而扩大口径、没有色差等。这也是很多大型天文台里的望远镜选用反射式的原因。

牛顿式望远镜

    这种望远镜通常利用一个凹的抛物面反射镜将进入镜头的光线汇聚后反射到位于镜筒前端的一个平面镜上,然后再由这个平面镜将光线反射到镜筒外的目镜里,这样我们便可以观测到星空的影像。

卡塞格林望远镜

    卡塞格林望远镜是由两块反射镜组成的一种反射望远镜,1672年为卡塞格林所发明。反射镜中大的称为主镜,小的称为副镜。通常在主镜中央开孔,成像于主镜后面,它的焦点称为卡塞格林焦点。有时也按图中虚线那样多加入一块斜平面镜,成像于侧面,这种卡塞格林望远镜,又称为耐司姆斯望远镜。

折轴望远镜

    折轴望远镜是光线通过光学元件沿轴射出的望远镜。这种望远镜的焦点称为折轴焦点。各种装置型式(赤道式﹑地平式等)的折射望远镜﹑反射望远镜﹑折反射望远镜都可以配置成折轴望远镜。


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