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Archive for category 反射望远镜

2011-08-04 19:32:04 本文行家:janewind

反射望远镜的发展史与优缺点概述

什么是牛顿式反射望远镜?


       什么是牛顿式反射望远镜?它主要有哪些特点?牛顿当年发明反射望远镜的时候,遇到了什么问题?如果你对这些问题感兴趣,今天我们就来了解一下。

牛顿与反射望远镜


       17世纪对于天文学以及望远镜来说,都是一个黄金时代。世界上的第一架折射望远镜已经诞生,随后经过了伽利略的改良,不久之后就出现了第一架反射望远镜。当时,制造望远镜时最大的困难就是磨制合适的镜片。 
       与伽利略一样,牛顿也是一位出色的光学家,不同的是,他掌握的技术与知识要先进得多。伽利略使用透镜制作望远镜,而牛顿则使用凹面镜来制作反射望远镜,于是这种使用凹面镜来收集光线的望远镜都被称为牛顿式。 
       反射望远镜发明人:牛顿 
       第一架牛顿式反射望远镜出现在1668年,最初牛顿遇到了一个难题:当入射光线被凹面镜会聚之后,会在焦点出形成图像,此时要如何看到这个图像呢? 
       牛顿最后想出了一个简单而有效的解决方法:他在镜筒上安装了几个细小的称为”蜘蛛”的支架,然后在支架中间安装了一小块倾斜的小镜子。这一块小镜子刚好位于图像焦点的位置,于是就能够将图像成90度角反射出来,在镜筒上开一个小孔,通过目镜就可以看到这个图像。另外,由于镜子很小,而且位于凹面镜的轴心处,因此影响很小。 
       牛顿制作的望远镜
       当牛顿制作出第一个可以实际使用的反射望远镜之后,大约在1689年就成为产品,开始批量的生产了。 
       牛顿式望远镜的设计简单而优雅,直到今天其基本结构也没有改变。

为什么选择牛顿式望远镜


       有非常非常多的理由支持我们选择牛顿式望远镜,最重要的理由就是我们可以花较少的钱,就可以买到较大口径的望远镜。 
       这是因为与折射望远镜相比,牛顿式望远镜使用镜子来收集光线,在加工镜子的时候,只需要保证内里的反射面是完美的,因此比制造透镜简单的多。所以反射望远镜的成本较低。 
       此外,一方面制造大口径的透镜很困难,另一方面大透镜很重,会由于重力产生变形。而镜子则易于制造,同时相当轻盈,没有变形的问题,因此非常大的望远镜都是牛顿式的反射望远镜。 
       还有一点,在制造凹面镜的时候,只需要改变抛物线的曲率,我们就能制造出不同焦距的反射望远镜。焦距较长的望远镜可以搭配不同的目镜,从而得到不同的放大倍数,适合于天体摄影。焦距较短的望远镜则易于携带,同时视野宽阔。 
       当然,牛顿式望远镜也有自己的缺点,在这里我们也需要了解清楚:如果镜片的位置有偏差,我们看到的图像就会变形,因此我们要时常对望远镜进行校准。同时,支撑副镜的蜘蛛架也会对入射光线造成衍射,降低图像的对比度。

牛顿式望远镜的发展

 
       从牛顿制作出第一架反射望远镜到今天,300多年过去了,人们在其中加入了其他的设计,产生了许多的变形。例如,在牛顿式望远镜中加入一组透镜,就产生了施密特-牛顿式,除此之外,还有许多的变形,但他们的基本结构都是牛顿式的。 

       牛顿式天文望远镜在今天,世界上一些最为著名的望远镜都是采用牛顿式的结构。例如,位于巴乐马山天文台的Hale天文望远镜,其主镜的尺寸为5米;W.M. 凯克天文台的Keck天文望远镜,其主镜由36块六角形的镜面拼接,组合成直径10米的主镜;还有哈勃太空望远镜,也是牛顿式望远镜。


折射望远镜与反射望远镜的比较


       当我们选购望远镜的时候,常常需要在反射望远镜与折射望远镜之间进行选择。这两种望远镜都能够很好的在夜晚观测星体,但它们的基本结构是不同的,这里我们简单的做一下对比。


折射望远镜
       折射望远镜的镜筒通常一端大,一端小。较大的一端安装的是物镜,它的工作是收集光线,然后将光线汇聚成一个焦点。较小的一端安装的是目镜,它的作用是将聚焦后的图像放大。这个原理似乎挺难懂,那么不妨将从目镜射入并聚焦的图像想像成一个小虫子,那么目镜就是一个放大镜,通过它我们可以看到放大之后的小虫子。 
       在折射望远镜中,最重要的部件是透镜。我们可以使用不同的玻璃材质来制作透镜,也可以在镜头上涂上不同的图层,以便得到更纯净的图像。实际上,要想制作一块完美的透镜非常困那。为了的到清晰的图像,入射光线必须精确的在透镜中轴线上汇聚成一点,如果有一点偏差,我们看到的图像就会扭曲变形。
此外,折射望远镜物镜的尺寸有大有小,称为口径。口径越大,就能有更多的光线进入望远镜,我们就可以看到更遥远的物体。通常的折射望远镜口径尺寸在10厘米以内,再大的话就要花更多的钱了。

反射望远镜 
       反射望远镜使用两面镜子来汇聚光线,而不是使用两块透镜。牛顿制作出这种望远镜,从而克服了早期折射望远镜出现的色散现象,因为通过镜子反射光线不会造成色散。
反射望远镜 
       在反射望远镜中,来自物体的光线进入镜筒之后,被镜筒底部放置的曲面镜反射,并汇聚成一个焦点图像。此时,在焦点处放置的第二块镜子将这个图像反射到目镜中,我们就可以看到图像。 
       然而,在反射望远镜中也存在潜在的缺陷。首先,在光线反射的过程中,有一部分光线会损失,质量好的望远镜可以将光线利用率提高到90%。此外,曲面镜在制作的过程中,如果其弧面不是完美的抛物线,入射的光线就不会完全聚焦成一点,我们看到的图像就会变形,例如一个点会变成一条线或十字星。另外,镜子需要经常清洗和校准,这一点也比较麻烦。 

       有兴趣更详细的了解一下折射望远镜吗?比如说,它是怎么工作的,它的历史与改进,折射望远镜有几种分类,以及你能从里面看到什么东西?
如果你有类似的疑问,请跟随我们更近距离的观察一下折射望远镜: 
       最简单的折射望远镜是一个中空的管子,其中一端安装有一块大透镜,通常称为物镜。物镜的作用是收集更多的光线,当光线通过物镜的时候,就会发生折射,最后汇集到焦点上。 
       在折射望远镜管子的另一端,安装有第二块透镜,通常称为目镜。通过目镜,我们可以看到物体被放大过之后的图像。

折射望远镜的历史


       大多数人认为,世界上的第一架折射望远镜是由荷兰眼镜商汉斯.黎波塞制作的,当时称为“间谍镜”,放大倍数很小。这种新奇的玩意儿很快吸引了人们的兴趣,一时间成为娱乐用品。不久,军方就注意到了望远镜的军事用途,于是开始改进其设计。 
       住在意大利的伽利略听闻此事之后,经过不断的实验,他使用一块凸透镜和一块凹透镜制作了自己的望远镜,并成为第一个使用望远镜来观测宇宙的人。 
       作为伽利略的一个朋友,开普勒继续改进折射望远镜的结构。这一次,开普勒在镜筒两端安装的都是凸透镜。这个小小的改进大大增加了望远镜的视角,同时通过物镜来观看图像的时候眼睛更舒服。 
       然而,开普勒式折射望远镜仍然存在一个缺点:你看到的图像是上下颠倒的。为了看到正常的图像,必须增加额外的反转棱镜,将图像反转过来。 
       当然,开普勒式望远镜的设计很棒,增大放大倍数相对来说比较容易。但是透镜的焦距很快引起问题,当时甚至出现了150英尺长的望远镜。

折射望远镜的发展


       不幸的是,折射望远镜设计方面的其他缺陷成为其致命伤。为了缩短透镜的焦距,人们不得不增大镜片的厚度,但这时就发现了色散与相差两个问题。 
       要保证远处的物体在望远镜中形成有清晰的图像,关键是物镜一定要把从该物体上任何一点来的光集中到一个焦点上来。如果这一点办不到,不同处来的光将略微分散到不同的焦点上去,那么,此物体看起来就会很模糊。可是,单片透镜不管是用什么玻璃制造的,都是不能把所有的光集中于同一焦点的。大家都知道,平常的光,不论是从太阳或是从星上来的,都是无数不同的颜色光波的混合,每种光波的波长不同,而不同波长的光波通过一个单片透镜时,会被聚集到略微不同的焦点上去。三百年前的天文学家都以为绝无办法避免透镜的色散作用,只有通过加长望远镜的长度,来减小色散作用的影响。 
       早期折射望远镜的另一个问题是相差。与现代技术相比,当时磨制透镜的技术还很粗糙。只要在磨制的时候稍有偏差,光线透过透镜时,就不会正确的汇集于一点;同时,由于透镜的自身重量,当它安装到镜筒上之后,也会产生变形,更别提磨制透镜所需的纯净玻璃也很难制造了。 
       直到大约1750年,伦敦的多龙德发明了一个方法避免色散作用,那就是利用两种不同的玻璃,一种是冕牌玻璃,一种是火石玻璃。这种方法的原理很简单的。冕牌玻璃的折光能力差不多跟火石玻璃一样,可是色散能力却差不多加大了一倍。于是多龙德用两块透镜做成了一副物镜,前面一部分是一片冕牌玻璃的凸镜,与它连在一起的是一片火石玻璃的凹镜。既然这两透镜的曲度相反,便会使光向不同的方向射去。冕牌玻璃要把光集中于一点,火石玻璃的凹镜却要把光线分散。如果单用火石玻璃,我们便会看到光线通过它,不但不向一点集中,反要从一点向各方向渐渐散开。这片火石玻璃的聚焦能力制作得恰好比冕牌玻璃的聚焦能力的一半大一点。这一巧妙的设计已足可消去冕牌玻璃的色散了;却还不能消去它的折光能力的一半以上。联合的结果便是所有的光线通过,其中都差不多集中于一个焦点,但这焦点却要比单用冕牌玻璃时远了约一倍。

使用透镜组合解决色散问题


       我们说的“差不多集中于一个焦点”,是因为这两层玻璃组合起来还不能把所有颜色的光线绝对集中于同一焦点上。望远镜口径愈大,这种弊病愈严重。如果你从一架大折射望远镜中去看月亮或一颗亮星,一定会看到它们周围有一圈蓝色或紫色的晕痕。这两重透镜不能把蓝色或紫色光线也集中到和其他颜色相同的焦点去,由此而产生了称为“二级光谱”的像差。这是由一般光学玻璃的性质决定的,科学家们也没办法。 
       从那时起,直到今天,折射望远镜的基本设计几乎没有什么改变了,只是制造透镜的玻璃质量改进了很多,已经可以很好的纠正色散与相差等问题。唯一无法克服的是在重力作用下,透镜自身产生的变形,因为这个原因,我们还无法制造巨大的折射望远镜。

折射望远镜适合看什么


       与其他望远镜一样,用于收集光线的物镜的尺寸是折射望远镜的关键。物镜越大,看远处的物体越清晰。然而,由于技术问题,折射望远镜的物镜不可能做的非常大。 
       由于折射望远镜的镜筒是密封的,减小了空气对流等环境因素的影响,我们可以看到清晰稳定的图像,使得折射望远镜很适合观测行星与较近的双星。此外,我们也很少需要去调整折射望远镜的光学组件,使用起来比较方便。 
       折射望远镜的另一个优势是它同时适合进行天文观测与地面观测。在折射望远镜的目镜端加装一组矫正透镜之后,观测地面物体时,我们可以看到正常的图像。 
       体积小巧的折射望远镜非常适合游人随身携带,例如人们普遍使用的双筒望远镜就是两个折射望远镜组合在一起罢了。 

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