天文爱好者望远镜制作

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1、 天文爱好者望远镜制作 天文爱好者望远镜制作 杨世杰 望远镜的发明延长了天文学家的视线。 通过望远镜收集到的星光将比肉眼的要增加成千 上万倍，甚至百万倍。天文学家像“淘金者”一样渴望从收集到的“光的矿砂”中提炼出他 们所需要的信息。 每一个天文爱好者当然也希望亲自通过望远镜来开阔一下自己的眼界。 遗 憾的是他们能到天文台通过天文学家专用的望远镜来进行观测的机会实在是太难得了， 而买 一架“像样”的现成望远镜往往又是力所不及。因此不少有志者就萌发出自己动手制造望远 镜的念头。 确实有不少天文爱好者在艰苦地从事着这样的工作， 而且制造出了不少具有极好 光学质量和结构别致的望远镜。 这是因为他们有热

2、忱和毅力， 不因一时挫折而放弃新的努力。 他们认为，成功的喜悦和从中学到各种知识是比什么都值得自豪的报酬。 为了少走弯路，增加成功的把握，爱好者应事先对不同型式的望远镜作一番了解，然后 确定制作计划是十分必要的。 根据望远镜采用的物镜 （即用来聚集星光的那块直径较大的镜 头）形式可分成折射式和反射式二大类（图 1） ，另外还包括二者结合的折返射式作为第三 类。在折射式望远镜里用透镜作为物镜，光线需要在物镜中透过，所以必须要用透明度好， 内部均匀的光学玻璃来制造。 即使最简单的消色差物镜也至少要用二块不同光学性质的透镜 组合而成。这种物镜共有 4 个表面需要加工，而且透镜的材料、表面的曲度、表面

3、间的厚度 和同心度都有严格的要求。 这些对于既缺乏材料来源， 又无成套设备的爱好者来说是比较困 难的。 图 1 A 折射式望远镜 消色差物镜 目镜 B 反射式望远镜 凹面主镜 小平面镜 目镜 反射望远镜的物镜（有时也称主镜）是用凹的反射镜，光线只是在表面上反射而不需要 透过镜面内部， 所以制作镜面的材料对光学性能没有什么要求。 它可以采用一般的平板玻璃， 只要没有太多会被磨穿的气泡， 即使透明度不好或有明显颜色的都无妨。 反射镜本身是完全 消色的， 只有一个表面需要精确加工， 它的曲率半径和原定的有些出入仅影响其焦距而不会 影响成像的清晰度。 为了镜面有高的反射能力， 必须用真空镀铝或化学镀银

4、的方法在表面加 上一层反射膜。反射膜层比较娇气，容易损坏，这是反射式望远镜的一个最主要缺点。但是 只要小心使用和保护，镀铝的镜面通常可以使用三年到五年。即使有了污损之后，还可以请 有条件的光学仪器厂把旧膜层退除后重新镀上新的反射膜，丝毫也不会改变原来的成像质 量。总之，制作反射式望远镜要比折射式的容易取得好的效果，这就是大多数天文爱好者制 作的望远镜都是反射式的缘故。 望远镜的口径越大， 它的集光能力就越大， 只要条件允许， 自然应该将口径做得大一些。 不过考虑到在采用手工磨制的情况下，镜面口径的大小要受到一定限制，口径过大，在磨制 时，人的体力消耗也大。而口径太小，则又拿握不稳，这些都不便于

5、操作和保证质量。经验 表明， 最合适徒手磨制的镜面口径是 10 到 20 厘米左右。 另一方面望远镜的镜筒长度直接决 定于物镜的焦距。 牛顿式反射望远镜的目镜是位于镜筒上部的一则。 如果我们希望观测时不 使用梯子或凳子，就要求镜筒指向天顶时，目镜的位置不要超过观测者眼睛的高度。所以主 镜的焦距不应超过 2 米。 从几何学原理上来说， 能将平行光精确汇聚到一点的镜面形状应是 抛物面， 而研磨形成的曲面都会自然地趋向球面(其中也包括平面)。 只有当镜面的焦比(即口 径与焦距之比）很小的时候，抛物面才和球面相接近，而且两者的差值还随口径增加。如口 径 10 厘米，焦距 80 厘米（焦比 18）的凹球

6、面镜可以直接作为物镜使用，而口径 20 厘米 的镜面必须把焦距做到 180 厘米（焦比 19）以上才能使用，如果我们追求更大的口径， 那就要做好修改抛物面的思想准备，或者把焦距做得更长，并配上很长的镜筒。 最后，有一点必须记住：一架口径稍小，但成像优良的望远镜往往比一架口径更大而成 像质量差的望远镜能更有效地进行观测。 所以在确定制作计划时不要过分追求大的口径， 而 应该从物质条件、使用条件综合考虑，特别是在质量的保证方面多下功夫，才能取得更好的 实际效益。 从上边的情况出发，我们将以制造一架口径 15 厘米，焦距 150 厘米的牛顿式反射望远 镜作为目标（图 2） 。每个制作者还应根据自己的

7、具体条件在尺寸上给于加大或缩小。 图 2 15cm 牛顿式反射望远镜 主镜 小平面镜 目镜 口径 150 毫米的镜坯需要厚度约为 20 毫米左右。在工业玻璃店里可以买到这种规格的 硬质玻璃圆扳。不过在我们的情况下凹面中心深度仅 1 毫米不到一些，可以使用厚度约 10 毫米的平板玻璃割成圆板。 只是在磨制和装夹时不要让它受到过大的外加力， 以免产生变形 影响面形的精度。玻璃坯料一共需要二块，其中气泡和条纹较少的用作主镜，另一块稍差的 作为研磨工具用。 镜面的加工过程分为粗磨、 细磨和抛光三个阶段。 粗磨的目的是把镜坯的表面磨成所要 求曲率半径的凹面。 为提高效率应选用硬度高、 磨削速度快的磨料，

8、 如绿色或黑色炭化硅砂。 细磨则主要为去掉上一阶段粗砂留下的砂痕， 同时使面形的精度提高， 所以希望用速度稍慢 一些但留下来的砂痕浅一些的磨料，如刚玉砂。细磨结束时的镜面呈半透明状的毛面。还不 能直接反射光线。 只有在覆盖有抛光柏油的工具上使用抛光液才能将毛面抛光。 抛光粉目前 主要有氧化铁红粉和氧化铈抛光粉二种。 前者抛光速度稍慢， 容易使接触的物件染上红色 但 它抛光后的表面光洁度好，价格较低；后者抛光速度较快，颜色较浅，但价格较高。抛光柏 油和抛光扮最好能向光学仪器厂或眼镜加工厂家购买， 而且要保持纯净， 千万不要混杂有其 他磨料，不然会影响表面的光洁度。下表列出了磨制口径 150 毫米

9、镜面所需要的磨料规格、 品种和数量。 附表： 加工 15 厘米反射镜所需磨料 品 种 、规 格 成 分 数 量（克） 80100砂 180200砂 280砂 303或 W20 抛光粉 抛光柏油 绿色或黑色炭化硅 黑色炭化硅 刚玉砂 刚玉微粉 氧化铁或氧化铈 250 100 100 50 100 500 磨制镜面的工作地点要选择便于打扫和保持清洁的场所， 不要在温度变化剧烈以及有风 和气流的地方。若有条件最好做一个木制的专用工作台（图 3） 。它的下面可以压些重物使 其稳固。台面的最佳高度应是手臂向下伸直时的掌面再高出 20 厘米左右。若太低就要弯腰 工作，容易疲劳，太高则不便在粗磨时施加压力。

10、如果用合适的现成家俱代替专用工作台， 那么一定要在上面另加一块木扳，以防止水和磨料损坏家俱表面。 图 3 木制工作台 其他还需要准备擦洗面镜用的水盆、纱布、涂刷磨料和抛光液用的小油漆刷、毛笔、检 查镜面用的小放大镜、手电筒等用品。还有一些必需的专门装备将在以后的文章再作说明。 反射式望远镜中凹面反射物镜的加工质量好坏直接关系到望远镜的性能， 所以我们必须 将大部份的精力放在主镜的磨制加工上。我们计划的主镜口径150 毫米、焦距 1800 毫米， 凹面的曲率半径是焦距的 2 倍，即 3600 毫米，其外形尺寸如图 4。 图 4 镜面研磨工作的第一步是用粗砂将平板玻璃面磨成所要求的曲度。 这时无法

11、用光学方法 测定其焦距或曲率半径， 只有通过测量镜面中心凹下的深度来控制曲度。 如果镜面的半径是 y，焦距是 f，则镜面中的深度 h 可由公式： hy2/4f 求得。对于我们的情况 h752/(41800)0.781(毫米)。 研磨时，把作为工具的那块玻璃固定在工作台面上，上面加上砂和水后，将镜面放在上 面用手推动进行研磨（图 5） 。整个的研磨动作由三种运动组合而成： （1）镜面在工具上来回磨动。这是产生磨削和形成曲度的主要运动，其速度大约是每 分钟 60 次左右。 （2）研磨者绕着工作台慢慢地走动，使磨削和曲度在工具上均匀分布。大 约一分钟回绕一周。如受工作条件限制，不能回绕走动，也可以经

12、常转动工具位置来代替。 (3)让镜面在手中慢慢地转动，使镜面上各处也受到均匀的磨削。速度大致为每分钟一周。 这些速度只要大致地保持，并不得要精确严格。关键是要镜面上施加均匀的压力，使镜面和 工具在磨动时很好地贴合，动作要自然。 图 5 镜面在工具上来回磨动的距离（如图 6 中的 AA）称为动程。在正常情况下约为镜面直 径的 1/3 左右。这时研磨进行比较均匀，曲度的变化较慢。为了把镜面磨出曲度，就要使镜 面中心的磨动速度加快。这可以采取下面两种研磨方法（图 6） ： （1）加长来回磨动的距离， 如把动程增大到接近镜面的半径。 （2）使镜面的中心偏离工具的直径，即沿着工具的某一弦 的方向来回磨动

13、。后一种方法中心加深的速度较快，但形状不如前一种规则、均匀。所以磨 到一定程度就更改用前一种方法继续研磨，并逐渐将动程缩短到正常的 l/3 口径的动程，使 面形均匀。通常曲度不大的镜面可以直接用第一种方法磨出曲面。 图 6 每次加砂量以能在工具上布满一层，加水量以能润湿加工面而磨动时不感到稠粘为宜。 如果加的砂过多，砂粒本身互相挤磨，且多余的砂很快被挤出到工具外面，得不到充分利用造成浪费。刚加上的砂磨起来声音响亮，磨削效率高。随着时间的增加，响声逐渐变弱，最 后变成微弱的“沙沙、吸吸”声。砂浆又稠又粘，表示磨削力已降低了。这时需要将磨细的 砂和玻璃粉末抹去，加上一份新的砂和水再继续工作。 倘若

14、我们手头能有球径仪（图 7） ，可以直接测出球径仪三条腿所包含曲面的矢高 h，然 后根据公式：fy2/4h，计算得到镜面的焦距及曲率半径，与前面公式不同的是这里的 y 是 球径仪的三条腿距中心测微螺旋的距离。 对于不具备球径仪的爱好者可以采用曲率样板来检 查曲度。当然精度稍低一些。图 8 说明了用卡纸制作样板和其使用方法。 图 7 图 8 由于在细磨过程中镜面的曲度还会继续增加，所以粗磨结束时曲度应比要求的稍浅一 些。 倘若掌握不当， 镜面的曲度过头了， 纠正并不困难。 只要把镜面和工具的位置对换一下。 用前述同样的方法研磨一段时间，曲度就会向相反方向发展。直至略过一点，调换二者的位 置再磨上

15、一段时间才能结束。这是因为凸面放在下面不容易磨得很规则。 细磨的任务是把粗砂留下的砂痕去除， 使表面变细并提高面形的精度， 它并不要求过多 地加深镜面的曲度。所以细磨应采用镜面直径 1/3 的动程。切忌使用过长的或偏心的动程。 一般细磨至少要用 200#、280、303(w20)等几种砂，逐步提高表面的细度。随着磨料的 变细，加砂量也要适当减少。在前一道砂结束后一道砂开始之前，应特别注意清洁工作。工 件和各种用具都要彻底清洗干净， 铺垫用的纸和塑料膜最好换用新的。 也不要忘记将自己身 上弄干净，不要隐藏有粗砂粒。最好在工作中养成尽量不让砂粒到处扩散的习惯。否则靠一 次打扫是很难保证彻底的。 细

16、磨中混入了粗砂粒就会在镀面上留下难看的划形。 不深的划痕 可以用本道砂延长一些时间将它磨掉，不幸遇上深的划痕那就只好用较粗的砂返工重磨了。 检查前几道砂留下的砂痕是否己被磨去时，要把镜面对向光源，如窗户、电灯等。在细 磨开始不久可以看到有较多剩留的粗砂痕，在适当角度下它们会闪闪发亮。如果用一个 5 至 10 倍的放大镜观测就可以看得更清楚了。记录下个别最大砂痕的所在位置，利用它们作 为细磨进程的指示标记。只要它们都被磨去了，就说明本道砂的研磨可以结柬了。 在细磨中还必须经常检查镜面的曲度和面形的均匀性。当用 280砂研磨后表面已经比 较平滑， 可以用更直接的方法来检查曲率半径和焦距， 办法是在洗净的镜面上浇上一些清水， 将它竖放在一个木制的镜架上