天文望远镜的光学系统

[ 录入者:mystar | 时间:2010-02-09 13:10:23 | 作者:卢保罗 蓝松竹 张元东 | 来源: | 浏览:11583次 ]

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,送入人眼。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,用不同折射率的 玻璃可搭配成各种消色差的 折射系 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:

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,一般口径不宜超过80mm。自从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,相对孔径也不宜过大。双胶合物镜不能校正二级光谱,其值与焦距成正比,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)。如果莹石玻璃作正透镜,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。由于可以利用正负透镜之间的 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。但装备稍困难一些,对物镜框的 要求高一些。BOSMA70060TWII90070TWII50080TS80080TW100090TW700100TS1140127TB1220150TS2700200TS等产品均采用这种光学结构。

3、三分离物镜

由于可以任意选择镜面的 曲率半径、透镜材料、透镜厚度及相互间隙,可以有利地校正色球差。在相对孔径很小时,如果玻璃选择合适,是可以消除二级光谱的 ,我们将此类物镜称之为复消色差物镜。三合透镜也可设计成天体照相物镜。 BOSMA600102TW等产品采用这种光学结构。

4、四片以上的 物镜

为了获得大口径、大相对孔径的 透镜系 统,满足拍摄和观测大视场天体的 需要,可以设计不同组合的 折射式天体照相物镜系 统。KPl50PKP80P分别是口径为150mm80mm

的 照相物镜。特别是KPl50P(见右图),为了消除残余球差将第五面修成非球面,60视场像质优良(相对孔径1/4.5)但是,由于天体照相物镜的 材料及制作费用都十分高,因此价格也十分可观。 以上折射系 统仅是几种例子,根据使用者不同要求,还可有多种设计,像质也可十分优良

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部件组装、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 有牛顿系 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 变换,在同一个望远镜上得到不同的 系 统,以用于不同的 观测项B。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(见下图)。为了消去球差,主镜一般制成抛物面。但当相对孔径减小到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,且眼望方向与镜筒指向方向不一致,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,往往被采用作为口径较大的 物镜系 统,其像质优良,光力强对拍摄视场不大的 视面天体十分合用。 BOSMA70076TWII900114TW1000114TW750150TW1400750TW1000203TW等均采用这种光学结构。

2、经典卡塞格林系 统及R-C系 统

经典卡塞格林系 统的 主镜为抛物面,副镜为双曲面(见右图),而R-C系 统主镜为双曲面,副镜也是双曲面。此二类系 统在大望远镜制作中经常使用,光学质量甚佳。由于主副镜均为非球面,加工难度甚大,制作成本高昂,再加上视场角较小,所以科普天文望远镜中不常用。

3、格雷高里系 统

这个系 统也是由二个反射面组成(见右图),主镜仍为抛物面;而副镜为椭球面。此系 统形成正立像,其镜筒比卡塞格林及R-C系 统的 长一些。

在反射望远镜中,有时会设计成多个焦点,用以产生不同的 相对孔径、视场角及焦距。在大型望远镜设计中,在一个镜筒中分别留有主焦点、卡焦及折轴焦点。而在科普仪器中将卡焦与牛顿焦点并存,对使用者大有益处。例如南京天文仪器研制中心的 KP350KⅣ型反射望远镜中,巧妙地用装插45°反射镜来切换卡焦和牛顿焦点,从而使相对孔径分别为1/121/4.2,拓宽了望远镜的 应用范围。

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(见右图),改正镜是一个透射元件(也有反射式施密特),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收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 统除反射面外仅有一薄改正镜,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"-卡系 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,产生的 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(见右图)。加一球面反射镜使成像在卡焦。此系 统像质优良,且光学零件表面均为球面,容易加工,较易装、校,在小型天文望远镜中时有应用。BOSMA120090TB1000100TSII2000130TB1800150TS以及2400200TS等产品均采用此系 统。除上述较著名的 折反射望远镜的 物镜光学系 统外,尚有一些多种结构型式,成像质量也很好,不一一赘述。

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