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• 折射望远镜

刚接触天文学的时候，我只有一台8英寸的望远镜，配备的是德国的赤道装置。在当时，这是一个带有旧C-8组件的大型望远镜，对于拥有汽车或跑车的人来说，这是一个新奇的事物。我用的是4.5寸的反射式望远镜进行观测。我叔叔当时在一个天文学会给我买的——这个望远镜的光学装置一直沿用到今天。几年后，一种水平设计的廉价望远镜在所有天文爱好者中流行起来——多布森革命给我们带来了巨大的冲击。在20世纪80年代中期，我将我的望远镜升级为10英寸的Coulter dob。很快，广角目镜迅速取代了窄角proso，成为观测者的首选。90年代初，计算机革命迅速传播，我们开始用计算机控制的望远镜和CCD相机进行观测，并通过天文爱好者的在线论坛进行交流。——摘自《剑桥天文爱好者指南》序言

望远镜是人类了解宇宙的“眼睛”。有了这些特殊的眼睛，人类可以不断探索宇宙的奥秘。许多科学家制造了他们自己的望远镜。例如，伽利略在1609年初制造了他自己的望远镜。他用自己的望远镜成功地观测了月球环形山、太阳黑子、土星环以及水星和金星的盈亏。牛顿还在1668年制造了第一架实用的反射望远镜。

人们用望远镜观察星星空

望远镜也是天文观测者不可或缺的工具。那么了解一些望远镜的基础知识就成了天文爱好者的必修课。

几百年来，望远镜不断发展，但望远镜的原理一直沿用至今。传统的光学望远镜根据光路结构的不同，大致可以分为折射式望远镜、反射式望远镜和折叠式反射式望远镜三大类。

湖南科技出版社出版的《剑桥天文学家指南》详细介绍了各种类型的望远镜，包括折射望远镜、反射望远镜、R-C望远镜和折叠反射望远镜，还提供了一些独特的望远镜参考网站。本文主要摘录其介绍“折射望远镜”的内容。

剑桥天文爱好者指南湖南科学技术出版社2021.07

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折射望远镜

折射是光从一种介质进入另一种介质时，例如从空气体进入玻璃，产生的光发生弯曲的现象。望远镜利用这一原理，通过使用曲面透镜来工作。当光线从空气体进入镜头，然后穿过镜头回到空气体时，其方向会变得倾斜于镜头的光轴。如果镜片的表面形状合适，光线会打在焦点上。

第一架折射式望远镜是由荷兰的眼镜商汉斯·利珀谢(1570-1619)制造的。他在1608年10月2日提交了一份专利申请:“一种能使远处的物体看起来更近的仪器。”所谓仪器就是一个桶，前面放一个凸透镜，后面装一个凹透镜，眼睛在凹透镜后面观察。这台仪器能把物体放大三倍。当时有一个争论，是谁最先发明了这个仪器，所以这个专利申请一直没有被批准。意大利发明家伽利略·伽利略·伽利雷于1609年初制作了自己的望远镜。他是第一个把望远镜对准天体的人，他的发现引发了天文学的革命。

意大利佛罗伦萨乌菲齐广场外的伽利略雕塑

你可能知道早期望远镜的光学质量很差。望远镜中使用的透镜有各种像差。望远镜制造商发现，如果透镜的焦距比变长，这些像差将会减少。也许这些发明家中最著名的是荷兰天文学家克里斯蒂安·惠更斯(1629-1695)和德国天文学家约翰内斯·赫维留。惠更斯分别制作了焦距为36米、7米和37.5米的望远镜，并用它们做出了重要发现，包括首次鉴定了土星环的性质。他还试图减少物镜引起的色差，并在望远镜镜筒中安装了光阑，以减少镜筒内壁反射光的影响。赫维留制造了焦距分别为18米、22米和46米的巨型望远镜！这些望远镜有许多组件，安装在木架上，由滑轮操作。你需要一群助手的帮助才能移动。除了很难准确指向目标之外，如果有一点点微风，望远镜就会摇晃着停止使用。镜片早期的问题之一就是色差现象。白光是由各种颜色组成的。遗憾的是，不同颜色的光通过单透镜后并不会汇聚在同一个焦点上，蓝光比红光汇聚得更强烈。

色差。一块单透镜不能使各种颜色的光会聚在同一个焦点上。

在1729年，霍尔(切斯特·莫尔哈尔。1703-1771)设计了一种透镜，它是由一块冕状玻璃和一块燧石玻璃组成的。它的图像在一定程度上没有色差，所以这个镜头被称为消色差的。当时，望远镜制造是一个有利可图的行业，所以霍尔在秘密工作。他找了两家光学厂分别加工皇冠玻璃和火石玻璃的镜片。霍尔制造的消色差透镜直径2.5英寸，焦距20英寸。这是一个里程碑式的成就。就在60年前，就连牛顿这样的权威也声称不可能做出消色差透镜。

一片或两片的消色差物镜使红光和蓝光会聚到同一个焦点，从而大大减小色差。

到了19世纪，玻璃和消色差透镜的制造质量有了很大的进步。一个有力的例子是1819年约瑟夫·弗劳恩霍夫(1787-1826)为多尔巴特折射望远镜(多尔巴特，俄罗斯地名)制作的透镜。这款镜头直径240mm，焦比17.7，质量不逊于现在做的消色差镜头。斯特鲁维(F.G.W.Struve)用这个望远镜来搜索和测量双星。当你在当前的双星目录中看到符号σ时，它代表了当时斯特鲁维用这台望远镜发现的一对双星。在19世纪中期的美国，阿尔文·克拉克(1804-1887)和他的儿子们开始制造高质量的望远镜。在他们制造的大大小小的望远镜中，最顶尖的是1897年投入使用的有史以来最大的折射望远镜:芝加哥大学叶克石天文台直径1.016米的折射镜。

20世纪，消色差透镜的技术还在进步。20世纪20年代，解决了两个问题。一个是光从空气体进入透镜时，玻璃表面反射造成的光能损失；另一种是透镜组内表面的光反射。这两个问题被德国的克拉克和蔡斯公司攻克。他们设计了一个用油隔离的物镜组。镜片之间的油消除了镜头组内部的反射，增加了每个表面2%的透射比。同时也减少了一些微小缺陷对镜片表面的影响。这个镜头组的密封必须近乎完美，否则热胀冷缩造成的变形会导致漏油。同时，大约10年后，机油会变脏，需要更换。到了50年代，镀膜技术(尤其是氟化镁膜)有了很大的提高，人们不再需要依靠油来消除镜片内部的反射，减少玻璃界面反射造成的光损失。后来还发明了一种由氟化钙(萤石)组成的新型玻璃。(第一台装有萤石物镜的望远镜是日本高桥公司于1977年制造的)。1951年，联合贸易公司开始销售高质量的Unitron系列折射望远镜。从20世纪50年代到70年代，Unitron展开了强大的广告攻势(在这一时期的每一期Sky 空和Telescope杂志上都可以看到它的广告)。所有Unitron望远镜都配有空气体分离消色差物镜，校正精确。第一个声称“消色差”的望远镜物镜是Astro-physics，Inc .的Christon在1981年推出的三透镜系统，当时只能提供两种“消色差”，都是f/11氟化镁薄膜空气体分离三件套系统。小的150mm，大的200mm。克里斯腾的文章:1981年10月的《天空空和望远镜》杂志上发表了一个消色差的三物镜。这是消色差折射望远镜新时代的开始。

注:复消色差透镜虽然被称为“消色差”，但实际上不同波长的光线仍然不会严格会聚到同一个焦点，但它的聚焦比普通消色差透镜好很多。现在的消色差物镜通常由两个或四个透镜组成，其中至少一个透镜由萤石或超低色散(ED)玻璃制成，进一步校正色差。

托马斯·贝克是先进光学系统的设计者，也是俄亥俄州克里夫兰市TMB光学公司的老板。他给出了消色差物镜的全面定义:明视觉的峰值响应位于可见光谱区中以555m m为中心的黄绿光谱部分，如果在这个波长，望远镜物镜成像的斯特雷尔系数达到或超过0.95；彗星像差在全孔径范围内得到校正；从C线到F线的波长范围内的最大波像差小于1/4波长；对于紫色G线，波像差的峰谷值小于1/2波长，因此这种物镜符合现代对消色差的定义。这种质量的物镜没有二阶色差，成像清晰，对比度高。

两种望远镜系统。d是光圈，4d是焦距。因为焦距是4倍口径，所以两者都是f/4系统。

折射的优点高质量的消色差和消色差望远镜在某些方面优于镜子。首先，折射镜的整个物镜光圈内没有阴影，所以入射光不会被中间的阴影衍射散射到黑暗处，所以折射镜的成像对比度一般较大。折射镜通常被认为是观测行星和双星的首选。折射的第二个好处是容易维护。镜头不需要经常重新镀膜，组装好的镜筒通常也不需要调整准直。镜头固定在镜筒内，光轴不易偏移或损坏。望远镜的缺点是折射镜的镜筒是封闭的，需要很长时间才能达到周围环境的温度。现在的镜筒已经大大缩短了热平衡所需的周期，但实际观测中仍需考虑这一因素。第二个缺点是消色差物镜的成像仍然有一点色差，这表明在像月球或木星这样的明亮目标周围可以看到深色的边缘。折射望远镜最大的缺点是大口径消色差，复消色差透镜价格高。因为三片消色差物镜有六个面要加工。150mm复消色差透镜的成本至少是同口径高质量反射镜的10倍，后者只有一个镜面需要加工。

文章摘自《剑桥天文学家指南》。

剑桥天文爱好者指南[美]迈克尔·e·白克奇湖南科学技术出版社，2021年7月

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