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天文望遠鏡的種類

 

天文望遠鏡的光學系統有許多種類,大致分為折射式望遠鏡、反射式望遠鏡與折反射式望遠鏡三種,簡單為您介紹如下。

 

折射式望遠鏡

        折射式望遠鏡是由義大利天文及物理學家伽利略於1609年發明(甚至將400年後的2009年訂為全球天文年),原理是光線穿透凸透鏡物鏡折射聚焦,是最廣泛使用的光學設計,除了天文望遠鏡之外,一般相機鏡頭、雙筒望遠鏡、賞鳥單筒望遠鏡等等,幾乎都是折射式設計,最早期的設計是由單片凸透鏡作為物鏡,由於光線穿透不同密度介質時,會產生色散(色差)現象,影像嚴重失真,後來開發出兩片甚至兩片以上的透鏡組作為望遠鏡物鏡,一些相機鏡頭的鏡片組甚至超過18片透鏡以上,低色散材質技術也日新月異,到了21世紀,色差現象消除已經不是大問題。以兩片式消色差鏡片為例,一片凸透鏡聚焦,加另一片不同分散係數材質的凹透鏡,將折射角度過大的顏色光波修正回來,讓所有波長的可見光都盡量聚焦在同一個點,這就是近代最普遍使用的折射望遠鏡消色差(Achromatic)技術,簡稱Ach,兩片物鏡中間常以黏合或空氣間隔(air space)設計,但是在中高倍率50X以上,色差仍然會很明顯,這是因為修正色差的能力有上限,只能盡量修正了紅光與綠光的焦點,藍紫色光人眼感應沒這麼敏銳,就只好犧牲掉,所以在一些高反差物體邊緣常出現紫色光暈。

        後來到了約30年前,更開發出更高級的低色散材質,例如ED(Extra Low Dispersion)超低色散玻璃,或是昂貴的螢石(CaF2 Fluorite)這些高折射率低分散的材質作為聚焦透鏡,修正色差效果更上層樓,即使在高倍率100X以上,色差肉眼仍然難以察覺,稱之為APO全消色差(Apochromatic)等級,等級比一般消色差透鏡更優秀,早期超低色散材質尚未普遍之前,也有人採用非ED或螢石的三片式透鏡組作為物鏡,達到APO等級,通常APO全消色差等級望遠鏡,比普通消色差(Achromatic)等級的折射鏡貴上好幾倍,除了材質昂貴之外,加工更是困難。SEMI-APO透鏡 (SEMI-APO lens)等級修正色差效果介於APO全消色差等級與消色差(Achromatic)等級中間。

        折射式透鏡還有一個問題是光線穿透度的問題,光線穿過鏡片,由空氣進入玻璃或由玻璃進入空氣時,會有三種結果,透射、反射及被鏡片吸收。對於望遠鏡光學鏡片而言,反射及被鏡片吸收的光線不會進入我們的眼睛,只有透射的光線才會被看到,所以望遠鏡鏡片的抗反射相對重要許多。目前最廣泛的方法就是鏡片表面鍍膜,目的是為了降低反射率也等於增加透光率,如果這些光學表面未經任何處理,那麼總入射光線因反射就會損失,影像會變暗且變得模糊,經過鍍膜的鏡片能將降低被反射的光,所以和未經鍍膜處理的鏡片比起來,影像就清晰明亮許多,而鍍膜品質的高低,與是否每片與空氣交換的鏡片都有鍍膜,就會跟價格有直接的關係。詳細請參考”鍍膜概論”一文。

        為了增大良像範圍,消去球面像差和彗形像差。可能會採用更高檔的多透鏡物鏡組,達到四片甚至五片設計。折射望遠鏡的成像品質比同口徑反射望遠鏡好,使用方便,易於維護,中小型天文望遠鏡及許多專用儀器多採用折射系統,但大型折射望遠鏡製造起來由於鏡片太重,比反射式望遠鏡困難得多,超過50CM口徑的望遠鏡幾乎看不到折射式設計,全球最大的望遠鏡口徑達到10米,但是最大口徑的折射式望遠鏡才1米而已,因為已經沒有辦法做更大了。

 

反射式望遠鏡

        反射式望遠鏡用凹面反射鏡作為聚焦物鏡,通常稱為主鏡,透過鏡筒內中央斜鏡光路從鏡筒側面出來,又稱牛頓式望遠鏡,主鏡只有一個表面(凹面)需要研磨加工,並鍍上一層鋁膜,用來反射光線,所以反射式主鏡對於鏡片材質要求不大,不像折射式物鏡內部不可有雜質氣泡,這就大大降低了造價和製造的困難(只要熱膨脹係數越小越好)。短焦式系統F6以下主鏡大多採用拋物面鏡,可消去球面像差,此外杜部森式望遠鏡也是屬於牛頓反射式望遠鏡。 

        牛頓反射式望遠鏡有許多優點,第一,就是便宜,比起折射式望遠鏡,以同樣價格,可買到更大口徑的牛頓反射式望遠鏡,在一吋大一吋強的天文觀測領域中,以獲得更大的集光力,初學者最常購買的規格是口徑130mm、150 mm與200mm,小於口徑100mm就無法發揮反射式”便宜又大碗”的優點,建議購買折射式就好,第二,反射鏡的主要優點是沒有色差,第三,牛頓式適合設計成短焦比,鏡筒的長度比同口徑折射式系統要短得多,以利攜帶性。 

        牛頓反射式望遠鏡也有幾個小缺點,第一,大部分反射式鋁膜在可見光波段範圍的反射率都大於85%,可是會隨時間慢慢氧化,使用幾年後反射率會降低。第二,使用上反射式望遠鏡比折射式光軸容易撞歪,應減少碰撞。第三,就是開放式鏡筒,灰塵與異物容易堆積在主鏡上,蓋子沒蓋好的話每隔一陣子就要送廠清洗。還有由於溫差關係,剛打開鏡筒有時會因為內外溫差關係造成筒內氣流干擾,造成高倍率觀察行星月面時,影像擾動現象,只要10分鐘熱平衡之後就好了。整體來說,牛頓式望遠鏡比起折射式系統更不易保養維護。 

 

折反射式望遠鏡

        折反射式望遠鏡,顧名思義就是光線會經過透鏡折射與反射面兩種原理的系統,加了透鏡主要是為了改良牛頓反射式系統的一些缺點,光路若透過鏡筒內中央副鏡從主鏡中間挖個洞,從鏡筒後面出來,稱為蓋塞格林式望遠鏡。市面上純蓋塞格林式望遠鏡很少,折反射式望遠鏡大多由蓋塞格林式望遠鏡發展出來,折反射式望遠鏡的系統到今日已經發展許多種類,一些世界級大型天文台許多都採用折反射式系統。 

        折反射式望遠鏡跟牛頓式有一個不同特點,就是折反射式多為長焦式系統(F8以上),倍率較高,較適合型星月面觀測,牛頓反射式多為短焦式系統(F8以下),觀測與拍攝大面積的星雲會有較好的較果,為了減低成本,蓋塞格林式主鏡通常採用球面研磨,由於焦比相當的小(低於F/4),低焦比主鏡會造成嚴重的球面像差、彗形像差及其他像差,為了減小像差的影響,在鏡筒前方加裝修正鏡(或稱補正板)以修正像差。除了球面研磨之外,也有少數採用雙曲面,甚至更高次元非球面技術研磨,以減小像差的影響。 

        常見的折反射式望遠鏡種類包括『施密特-蓋塞格林式』望遠鏡(簡稱SCT式)與『馬克斯托夫-蓋塞格林』式望遠鏡(簡稱馬克斯托夫式)。 

        折反射式望遠鏡的優點,第一,鏡筒長度都遠低於主鏡焦距,所以跟牛頓式一樣可大幅減小望遠鏡長度以利攜帶。第二,比起折射式系統折反射式望遠鏡也是有”便宜又大碗”的優點。第三,前方加裝修正鏡的系統可使鏡筒增加密閉性,跟牛頓式相比可減少灰塵與異物容易堆積在主鏡上,也可以減少筒內氣流干擾與減緩鋁膜氧化問題。 

        折反射式望遠鏡的缺點,跟牛頓式一樣必須特別小心光軸偏移問題,頂級的折反射式望遠鏡光學品質可逼近APO全消色差等級折射式望遠鏡,但廉價劣質的產品也充斥市面,銳利度還不如牛頓式反射鏡,選購時物必要仔細研究瞭解。

        常見的日本知名品牌威克勝 VIXEN 「VMC 系列」 天文望遠鏡,就是屬於馬克斯托夫式系統,例如「VIXEN VMC 110L 天文望遠鏡」,搭配PORTA II經緯儀或GP2赤道儀,都是很常見的組合,適合入門者使用,若想要口徑更大,也有VC 200L,甚至VMC260L 口徑260mm大型專業機種。

 

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