望远镜的光学原理

天文光学望远镜是观测天体的重要仪器之一。望远镜的作用就是放大远处物体的张角，使人眼能看清角距更小的细节。望远镜的另一个作用是把物镜收集到的比瞳孔直径（最大约8mm ）粗得多的光束，送如人眼，使观测者能看到原来看不到的暗弱物体。


望远镜由物镜和目镜两组镜头及其他配件组成。通常按照物镜的种类，将望远镜的光学系统分为三类：折射系统、反射系统、及折反射系统。



一、折射系统

用透镜将光线会聚的系统就是折射系统。早期的折射系统用一块单透镜制作，由于玻璃对不同颜色的光的折射率不同，会产生严重的色差。为了克服色差引起的成像模糊，用不同的折射率的玻璃可搭配成各种消色差的折射十系统。常见的有双胶合物镜、双分离物镜、三分离物镜等，分述于下：（图1）

1、双胶合物镜

这是一种常用的消色差望远物镜，用不同折射率的冕牌玻璃和火石玻璃搭配而成，当合理选配时可同时校正球差，色差及正弦差。但由于热胶合会产生玻璃变形而影响精度，一般口径不会超过80mm。自然有了紫外固化冷胶后，胶合透镜的口径大大增大。但由于这种物镜不能校正轴外像差，视场角不宜太大，相对孔径也不宜太大。双胶合物镜不能校正二级光谱，其值与焦距反成正比，是个定值。只有用特种火石玻璃做负透镜时，二级光谱可减少三分之一（例如ED镜头）。如果萤石玻璃作正透镜，二级光谱可以再降低六分之一。

2、双分离物镜

用于口径较大的望远镜物镜，由于可以利用government透镜之间的间隙设计，使带球差有所降低，但色球差依然不能校正，二级光谱反而有所增大，其他像差校正与双胶合透镜雷同。但装配稍困难一些，对物镜框的要求高一些。


二、反射系统

反射望远镜在天文望远镜中应用十分广泛。由于这种系统对玻璃材料在光学性能上没有特殊要求，光线不需透过材料本身，而重量较轻无色差又是反射镜的一大优点，因此大口径的望远镜都采用反射式。但是反射物镜表面精度对光程的影响是双倍的，如果仅由一个反射表面来成像，则此表面所需的精确度（垂直入射光）比单个折射表面的精确度要高四倍。可见反射表面磨制的要求是很高的。再加上需经常重新镀反射面及不见组装、校正的困难，反射系统在科普望远镜中应用受到限制。

反射望远镜中常用的牛顿系统、卡塞格林系统，格雷果里系统、折轴系统，等等。现代的大型反射望远镜，大都通过镜面的交换，在同一个望远镜上得到不同的系统，以用于不同的观测项目。下面分别介绍常用的几种系统。


1、牛顿系统

牛顿系统是反射系统中最简单的光学系统（见图2）。为了消去球差，主镜一般制成[抛物面。但当相对孔径减少到1/12以下，主镜可制作为球面。它的结构简单，磨制比较容易，成本低廉。国内外爱好者自制的天文望远镜大多采用此系统。但由于轴外像差较大，视场不宜做得过大，且眼望方向与镜筒制向方向不一致，使观测者寻星较为困难。但是，相对孔径较大的抛物面牛顿系统，往往被才爱用作为口径较大的物镜系统，其相质优良，光力强，对拍摄视场不大的视面天体十分合用。

三、折反射望远镜

此系统便于校正轴外像差，以球面镜为基础，加入适当的折射元件，用来校正球差，得以取得良好的光学质量。应用最广泛的有施密特望远镜与马克苏托夫望远镜两类。

1施密特系统及施密特-卡塞格林系统

施密特系统由球面反射镜和施密特正镜组成（见图3），改正镜是一个透射元件（也有反射式施迷特），其中一面是平面，另一面是非球面。非球面的面形能够使中央的光束略有会聚，而边缘的光束略有发散，这样能使整个系统的球差得到很好的校正，且主镜不产生彗差、像散、和畸变，而仅有场曲。专业望远镜往往把接受器制成球面而得以消除场曲，它的大视场、优像质，在专业天文望远镜中得以青睐。


但是，施密特系统不能用于目视，在科普天文望远镜中甚少应用。


将施密特系统稍加改型，加一球面反射镜使成像在卡焦上，此系统即为施密特-卡塞格林系统。这种系统在科普望远镜中应用很多。由于此系统除反射面仅有一薄改正镜，因此色差很小，再加上改正镜封住镜筒，克服了卡塞格林系统主镜裸露而易积尘的缺点。特别需要指出的是，目前有些国外商家将仅有一平面封口玻璃的反射系统称之为“施-卡塞系统” 是不正确的。

2、马克苏托夫系统和马克苏托夫-卡塞格林系统

马克苏托夫望远镜系统由球面反射主镜和负弯月形透镜组成。在一定条件下，弯月形副镜可不产生色差，且能补偿球面主镜所产生的球差。此外，光阑和厚透镜的位置接近于主镜的球心，产生轴外像差很小。由于全部光学表面均为球面，加工比较容易。但口径增大时，厚透镜大而重很不利，且此系统与施密特系统一样而无法目视。

科普望远镜中用的马克苏托夫望远镜，一般是指马克苏托夫-卡塞格林式望远镜（见图4）。加一球面反射镜使成像在卡焦。此系统像质优良，且光学零件表面均匀球面，容易加工，较易装、校，在小型天文望远镜中时有应用。BOSMA马卡犀利台产品均采用此系统。除上述较著名的折反射望远镜望远镜盯物镜光学系统外，尚有一些多种结构形式，成像质量也很好，不一一赘述。

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