光学论文--折反射望远镜

折反射望远镜构造

望远镜的发展经历了约400年的时间，现在它已在科学研究和生活的方方面面发挥着重要的作用。1608年荷兰人汉斯·利伯希发明了第一部望远镜。随之而来的是折射望远镜、反射望远镜和折反射式望远镜的相继产生。德国人史密特首先于1938年制作了第一部折反射式望远镜。折反射望远镜系统的特点是便于校正轴外像差。以球面镜为基础，加入适当的折射元件，用以校正球差，得以取得良好的光学质量。由于折反射望远镜具有视场大、光力强等特点，适合于观测延伸（彗星、星系、弥散星云等）天体，并可进行巡天观测，较适合天文爱好者使用。本文通过探究折反射式望远镜的构造、阐明其光学结构原理从而加强折反射望远镜在啊日常生活的中应用，为今后的技术创新提供助力。

关键词：望远镜；凸透镜；凹透镜；折射式；反射式；折反射式

0. 引言

望远镜是一种用于观察远距离物体的目视光学仪器，能把远物很小的张角按一定倍率放大，使之在像空间具有较大的张角，使本来无法用肉眼看清或分辨的物体变清晰可辨。望远镜可大致分为折射望远镜、反射望远镜和折反射式望远镜三种.应用最广泛的有施密特望远镜（美国Meade 12”LX200SC），施密特—卡塞格林系统（南京天仪中心的KP300S），马克苏托夫与马克苏托夫—卡塞格林望远镜（南京御夫天文科教仪器厂生产的Φ160mm等系列）四种类型。

1.折反射式望远镜

1.1.折、反射式望远镜的基本光学原理

天文望远镜由物镜和目镜组成，接近景物的凸形透镜或凹形反射镜叫做物镜，靠

近眼睛那块叫做目镜。

远景物的光源视作平行光，根据光学原理，平行光经过透镜或球面凹形反射镜便会聚焦在一点上，这就是焦点。焦点与物镜距离就是焦距。再利用一块比物镜焦距短的凸透镜或目镜就可以把成像放大，这时观察者觉得远处景物被拉近，看得特别清楚。

O=物镜 E=目镜 f =焦点 fo=物镜焦距 fe=目镜焦距 D=物镜口径 d =斜镜

折射镜是由一组透镜组成，反射式则包括一块镀了反光金属面的凹形球面镜和把光源作90 °反射的平面镜。两者的吸光率大致相同。

1.2. 折、反射式望远镜各自的优缺点

1.2.1.优点阐明

折射望远镜的优点有影像稳定、可进行彗像差矫正、保养方便等。折射式望远镜镜筒密封，避免了空气对流现象，可以利用不同的透镜组合来矫正彗像差(Coma)，其主镜密封，不会被污垢空气侵蚀，基本上不用保养。反射望远镜的优点有消色差、镜筒短、价钱便宜等。反射式望远镜使任何可见光均聚焦于一点，而且通常镜筒长度只有主镜直径八倍，所以比折射镜筒约短两倍。短的镜筒操作

力便，又容易制造稳定性高的脚架，同时光线只在主镜表面反射，制镜者可以购买较经济的普通玻璃去制造反射镜的主要部分。

1.2.2.缺点分析

折射望远镜的缺点有主要有色差明显、镜筒过长、价格昂贵等。不同波长光波成像在折射望远镜的焦点附近，所以易出现彩色光环围绕成像，矫正色差时可以增加一块不同折射率的透镜，但矫正大口径镜的折射望远镜就相当不易。另外，为了消除色差，设计望远镜时就要把焦距尽量增长，约主镜口径的十五倍，以六吋口径计算，便是七呎半长，而且用起来很不方便。基于光线要穿过透镜关系，所以折射式望远镜要采用清晰度高，质地优良的玻璃，造成价格昂贵，同一口径的折射镜比反射镜贵数倍至十数倍。反射望远镜的缺点有易遮光、影像不稳定、有球面差、保养困难等。反射望远镜对角镜放置在主镜前，把部份入射光线遮掉，而对角镜支架又产生绕射，三支架或四支架的便形成六条或四条由光星发射出来的光线，需要利用焦比八至十的设计减低遮光率，而开放式的镜筒往往产生对流现象，很难完满地解决问题，所以在用高倍看行星表面精细部份时很不容易。反射镜主镜由于温度变化和机械因素会产生变形，焦点也跟着改变，使主镜旁边线和近光轴的平行光线聚焦于不同地形成球面差。镀在主镜表面的银，受空气污染影响，每半年需再镀一次，保养花费巨大。基于以上的原因人们发明了折反射式望远镜。

1.3.折反射望远镜设计的光学原理

1.3.1. 史密特－卡塞格林式望远镜光学原理

折反射望远镜顾名思义是将折射系统与反射系统相结合的一种光学系统，它的物镜既包含透镜又包含反射镜，天体的光线要同时受到折射和反射。首先发明

这种型式望远镜的是德国人史密特。他首先于1938年制作了第一部折反射式望远镜。史密特研磨了一片中央凸、周边凹、形状复杂的波浪状修正透镜，将这片修正透镜置于镜筒最前端，让光线进入后不是收缩聚焦，而是向外产生曲折，然后经后方的球面主镜反射聚焦。如果在焦点处放上底片，就是天文摄影专用的史密特照相机。若用第二面反射镜（副镜）将光线再反射到主镜后方的开孔，就称为史密特－盖赛格林式望远镜。1970年美国的Celestron公司首先量产了史密特－卡塞格林式望远镜，在大量生产下，价格非常便宜，而为眼视观测者最爱用的望远镜。

1.3.1.马克斯托夫－卡塞格林式望远镜光学原理

1943年，俄罗斯的马克斯托夫也发明了另一种折反射式望远镜。他用一片两面同曲率并同向主镜方向内凹的透镜做为修正镜，光线穿过修正透镜后产生曲折，然后经反射镜反射聚焦，再经第二反射镜（副镜）反射回主镜中央开孔处聚焦成像，所以称为马克斯托夫－卡塞格林式望远镜。大部份的马克斯托夫－卡塞格林系统的副镜，都是直接在修正透镜后方中央部份镀上铝成为曲率同修正镜的副镜。如果改变上述副镜曲率，就称为RUMAK型，把副镜独立出来制作并向主镜靠近的就是SIMAK型，像差程度也照这顺序减少，性能也就愈来愈好。

1.4. 折反射式望远镜的构造及功能

镜筒－－为了减轻重量，史密特－卡塞格林式望远镜和马克斯托夫－卡塞格林式望远镜的镜筒都采用轻量的铝合金材料，然后在修正透镜及主镜的位置再予以补强。在同口径的镜筒中，折反射镜的镜筒可以比其它种望远镜的镜筒轻上一半以上。镜筒内没有遮光环的设计，如果要增强影像反差，可以在镜筒内壁贴上绒毛纸来消除内反射。

修正透镜－－折反射镜的修正透镜位于整部望远镜的最前端，最主要的作用是用来修正球面主镜的球面像差。市面上的折反射式望远镜的修正透镜上并没有光轴调整装置，并非修正透镜不用调整光轴，而是厂商把修正透镜直接固定在镜筒上，省略调整光轴的问题。而且若是修正透镜的光轴有轻微不准，对星点的成像质量影响并不大。

主镜－－史密特式和马克斯托夫式望远镜的主镜都是焦距很短的球面主镜，大约在F2～F3之间。主镜直接固定在主镜座上，然后与镜筒是分离的，没有任何可调整光轴的装置。主镜中央有一段中空细长的金属管，这截圆管除了是让副镜反射回来的光通过之外，也有防止非指向方向来的杂光，直接从修正透镜射到焦点部的作用。

副镜－－折反射镜的副镜都直接固定在修正透镜的中央部，不像纯反射镜的副镜需要用支撑架来固定。史密特－卡塞格林式望远镜的副镜为凸的球面镜，可将主镜的焦距做4～5倍的扩大。副镜有三支光轴调整螺丝以修正副镜的光轴，这是史密特－卡塞格林式望远镜上唯一的光轴调整装置。史密特－盖赛格林式望远镜的副镜光轴正确与否对星点成像影响非常大，必须精确地对正。马克斯托夫－卡塞格林式望远镜的副镜，除了SIMAK型外，其余都是直接在修正镜的中央部镀上高反射率的铝来做为副镜，所以并不需要调整光轴。

遮光罩－－由于折反射镜的修正透镜在镜筒的最前端，所以非常需要遮光罩来挡掉非望远镜指向方向的杂光。但是折反射镜的镜筒都很短，相对的遮光罩就不能太重，以免前后重量相差太大而无法平衡。

对焦——史密特－盖赛格林式望远镜和马克斯托夫－盖赛格林式望远镜大都是用主镜的前后移动来对焦而没有对焦座，这跟其它种望远镜完全不同。这种