天文望远镜基础知识

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1、天文望远镜基础知识天文望远镜的光学系统根 据物镜的结构不同，天文望远镜大致可以分为三大类：以透镜作为物镜的，称为折射望 远镜；用反射镜作为物镜的，称为反射望远镜；既包含透镜，又有反射镜的， 称为折反射 望远镜。往往有的天文爱好者买了一块透镜，以为这就解决了望远镜的物镜问题。其实，一 块透镜成像会产生象差，现在，正规的折射天文望远镜的物镜大都由24块透镜组成。相 比之下，折射天文望远镜用途较广，使用方便，比较适合做天文普及工作。反 射望远镜的光路可分为牛顿系统和卡塞格林系统等。一般说来，对天文普及工作，特别 是对观测经验不足的爱好者来说，牛顿式反射望远镜使用起来不太方便，其物 镜又需经常 镀膜，

2、维护起来也麻烦。折反射望远镜是由透镜和反射镜组成。天体的光线要受到折射和反 射。这类望远镜具有光力强，视场大和能消除几种主要像差的 优点。这类望远镜又分施密 特系统、马克苏托夫系统和施密特卡塞格林系统等。根据我们多年实践的经验，中国科学院 南京天文仪器厂生产的 120 折射天文望远镜 对于天文普及工作和广大天文爱好者来说，是 一种既方便又实用的仪器。望远镜的光学性能在 天文观测的对象中，有的天体有视面，有的没有可分辨的视面；有的天体光极强，有的 又特微弱；有的是自己发光，有的是反射光。观测者应根据观测目的，选用不 同的望远镜， 或采用不同的方法进行观测；一般说来，普及性的天文观测多属于综合性的

3、，要考虑“一镜 多用”。选择天文望远镜时，一定要充分了解它的基本光学 性能。口径-指物镜的有效直径，常用D来表示；相对口径-指物镜的有效口径和它的焦距之比，也称为焦比，常用A表示；即A=D/F。一 般说来，折射望远镜的相对口径都比较小，通常在 1/151/20，而反射望远镜的相对口 径都比较大，通常在1/3.51/5。观测有一定视面的天体时，其视面的线大小和F成正比， 其面积与F2成正比。象的光度与收集到的光量成正比，即与D2成正比，和象的面积成反 比，即与F2成反比。放大率-指目视望远镜的物理量，即角度的放大率。它等于物镜焦距和目镜焦距之比。不 少人提到天文望远镜时，首先考虑的就是放大倍率。

4、其实，天文望远镜和显微镜不一样， 地面天文观测的效果如何，除仪器的优劣外，还受地球大气的明晰度和宁静 度的影响，受 观测地的环境等诸因素的制约。而且，一架天文望远镜有几个不同焦距的目镜，也就是有几 个不同的放大倍率可用。观测时，绝不是以最大倍率为最 佳，而应以观测目标最清晰为准。分辨角-指望远镜能够分辨出的最小角距。目视观测时，望远镜的分辨角二140 （角秒）/D （毫米）， D 为物镜的有效口径。视场-指天文望远镜所见的星空范围的角直径。贯穿本领-指在晴朗的夜晚，望远镜在天顶方向能看到最暗弱的恒星星等。贯穿本领主要和 望远镜的有效口径有关。例 如，南京天文仪器广生产的 120 折反射天文望远

5、镜的光学性能为：主镜的有效口径为 120mm,焦距为1500mm,相对口径为1/12.5,目镜放大倍率有：37.5倍，60倍，100倍， 200倍，理论分辨角为1一2，目视极限星等为12等，视场小于10。它的寻星镜物镜有效 口径为35mm,焦距为175mm,放大率为7倍，视场为500。天文望远镜的目镜 当人们了解了天文望远镜的基本光学性能以后，有人往往只注意物镜，而忽视了做为望远镜 终端设备之一的目镜。其结果常常使再好的望远镜也不能充分发挥应有的本领，只能望天兴 叹。天 文望远镜的目镜主要有两个作用：其一，将物镜所成的像放大，这对于观测有视面的天 体和近距双星是十分重要的；其二，使出射光束为平

6、行光，使观测者观测起来 舒适省力。目镜的种类很多，比较常用的有：惠更斯目镜，用字母H表示，MH或HM表示惠更斯目 镜的改进型，这类目镜适用于低倍率或中倍率的观测。冉斯登目镜，以字母R表示，适于 用作装有十字丝或标尺的目镜，用在低倍率或中倍率的测量性观测。凯尔纳目镜，以字母K 表示，是冉斯登目镜的改进型，消除了冉斯登目 镜的色差，这种目镜，视场大，常用在低 倍率观测上，如彗星或大面积的天体。斯坦海尔的单心目镜，蔡斯的无畸变目镜，阿贝无畸 变目镜，希克无畸变目镜都用在 高放大率的观测上，如对行星或月球表面细节的观测等。一 架天文望远镜应备有多种目镜，这样才能便于不同的观测，也才能最大限度地发。挥它

7、 应有的作用。曾见到这样一个情况：某部门从国外订购一架较好的天文望远 镜，但是只有 两个目镜。可是说明书中介绍它有多种目镜。为什么只有两个呢?卖方说，买方订货时设写 明。这是一个教训。因此，订购天文望远镜时，事前一定要 充分做好调研，有完整可靠的 信息，有比较内行的人把关，认真审核好订货程序才行。寻星镜和导星镜 天文望远镜的主镜担负着观测的主角。但是，许多天文观测不是光靠主镜就能全部顺利完成 的。它也需要有助手，这就是寻星镜或导星镜。为 了能迅速地搜寻到待观测的天体，常常在主镜旁附设一个小型天文望远镜，它就是寻星 镜。寻星镜一股都采用折射式的天文望远镜。它的光轴与主镜光轴平行，这样 才能保持与

8、 主镜的目标一致。寻星镜物镜的口径一般在510厘米左右，视场在3050左右，放大率 在720倍左右，焦平面处装有供定标用的分划板。观测时，先用寻星镜找到待观测的天 体，将该天体调到，视场中央。这时，该天体自然也就在主镜视场中央。主镜在进行较长时间的观测时，为了及时纠正跟踪中的误差，在主镜旁设一个起监视作用的 望起镜，它就叫导星镜。天文普及用的望远镜也就用导星镜代替了导星镜。望远镜的装置与跟踪一 架理想的天文望远镜不仅应有优良的光学系统，还必须解决好一系列机械结构问题。比 如说，镜筒如何架起来呢?为了能观测到地平上任意天体，根据对轴线方向的 选择不同，通 常天文望远镜的装置分为两大类：地平装置和

9、赤道装置。在地平装置中，镜的是天体的地平 经度，沿水平轴变化时，表示的是天体的地平纬度。由于天 球的周日视运动，天体在地平 坐标中，两个量都随时而变，表示的只是瞬时位置。因此，一般说来，地平装置不便于做较 长时间的连续观测。赤 道装置就解决了这个问题。它的一条轴和天轴平行，叫极轴。另一条轴和极轴垂直，叫 赤纬轴。当镜筒绕极轴旋转时，这是对角的变化，绕赤纬轴旋转时，是赤纬的 变化。天体 的赤纬不随周日运动而变化，是常量。因此，只要使镜筒跟随着天体绕极助运动即可达到使 天体保持在视场内的目的。这就是跟踪天体的基本原理。显 然，这就是克服由地球自转引 起的相对位置变化。地球以每4 分钟10的速度由西

10、往东自转着，跟踪天体也应以每4分钟 10 的匀速从东往西绕极轴运动。如何使镜 筒这样转动呢?驱动跟踪装置的机械系统叫转仪 钟。本世纪以前的转仪钟，其动力靠链条式的重锤或发条提供，转仪钟的速度靠离心调速器 来控制。现在转仪钟的动 力靠马达带动，速度由天文钟或无线电振荡器来控制。导星就是 弥补跟踪中的误差问题。可见，对于天文普及工作来说，天文望远镜最好是能跟踪天体的赤道装置。注意事项 完整的天文望远镜是由光机电组成的精密的光学仪器，要遵守使用规则：加强维护；赤道装 置的，极轴应调到观测地的纬度，并在子午面内；天文望远镜的调焦是十分重要的，注意人 差和方法差；观测环境引起的小气候不容忽视；应使望远镜

11、总处在各向平衡的状态。天文望远镜的光学系统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

12、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。南京天文仪器 研制中心的KP150SR, 口径为150mm,为冷胶双 胶合透镜，成像质量颇为理想。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

13、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。南京天文仪器研制中心的KP200R物镜即为双分离物 镜。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。4、四片以上的物镜为 了获得大口径、大相对

14、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。南京天文仪器研制中心的KP150P及KP80P分别是 口径为150mm及80mm的照相物镜。特别是KP150P（见下图），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

15、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。

16、 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。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（见下图），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。南京天文仪器研制中心的 KP400K 采用卡塞格 林系统。3、格雷高里系统 这个系统也是由二个反射面组成（见下图），主镜