Astronomy Photos ByAcian

2017年10月1日

光學望遠鏡

59 神託使者帕高

簡介

看着這篇文章的你們,相信或多或少也對天文有一定的興趣。也許大家也曾經嘗試過仰望星空,但你們又知道這星空之中隱藏着多少秘密嗎?其實夜空中除了一顆顆的星星,還埋藏着使用光學望遠鏡才能觀測到的深空天體和行星的表面。然而你們對光學望遠鏡又有多少認識呢?接下來文章會簡單介紹一般用以觀測天體用的光學望遠鏡的歷史及其分類。


歷史

很多人都以為是伽利略發明了望遠鏡,可是這是錯誤的。望遠鏡普遍相信是在1608年由一名荷蘭的商人漢斯・利普西 (Hans Lippershey) 所發明的。他當時利用兩塊透鏡,發現調節兩塊透鏡之間的距離後能看到放大且清晰的影像。其後意大利的科學家伽利略 (Galileo Galilei) 1609年運用其原理製作現存記載中第一台用以觀測天象的折射式天文望遠鏡。1611年,德國的科學家開普勒 (Johannes Kepler) 對望遠鏡作出改良,改善了成像的質素並且將望遠鏡的視野擴大等問題,令開普勒式望遠鏡成為現今折射式望遠鏡的主流。1668年,英國的天文學家牛頓 (Issac Newton) 製作了第一台反射式望遠鏡。反射式望遠鏡除了能夠解決折射式望遠鏡色差(見下文)問題,而且易於製造以及具有更短的鏡筒,方便攜帶。1672年,法國天文學家洛冉・卡塞格林 (Laurent Cassegrain) 將反射式望遠鏡改良,設計出現時被廣泛應用的卡塞格林式望遠鏡。1938年,德國光學設計家伯恩哈德・沃爾德馬爾・施密特 (Bernhard Woldemar Schmidt) 把折射及反射的原理二合為一,發明了施密特式折反射式望遠鏡。後期在1944,光學工程師德米特里·德米特里耶維奇·馬克蘇托夫 (Dmitry Dmitrievich Maksutov) 發明了另一種設計的折反射式望遠鏡,名為馬克蘇托夫望遠鏡(見下文)。

用途及分類

就着字面上的解釋,望遠鏡是用以觀測遠方的物體或景象,然而以天文觀測的角度來說,能看多遠反而沒有太大意義。試想像在一個漆黑的環境裏,遠處的一座燈塔跟一塊與燈塔同樣大小、同樣距離的石頭相比,哪個會更容易用望遠鏡觀測?當然是燈塔,因為石頭是不會發光的。光學望遠鏡的主要用途是將細小的影像放大、收集更多的光以及將影像變得清晰,為的是讓使用者更容易觀測一些肉眼難以看到的天體及其特徵。而光學望遠鏡一般分為三類,分別是上文提及過的折射式望遠鏡、反射式望遠鏡及折反射式望遠鏡。

1.
折射式望遠鏡

折射式望遠鏡以凸透物鏡及目鏡組成,光線經過物鏡後被折射形成影像。折射式望遠鏡一般分為伽利略式及開普勒式兩種。伽利略式使用凹透鏡作為目鏡,因此成像是正立的,然而這種望遠鏡的視野會較窄,也就是說目鏡中看見星空的範圍會較細。相反,開普勒式使用凸透鏡作為目鏡,雖然其成像是上下左右倒轉的,但是這種望遠鏡擁有更廣的視野。
折射式望遠鏡所使用的透鏡不會形成像差,使成像顯得比較清晰及銳利,同時密封的鏡身使影像不容易受到氣流影響,可以增加影像的穩定性。但缺點是會因不同波長的光線(即不同顏色光)有不同的折射率,令不同顏色的光線不能聚焦到同一點上而形成色差。此外,愈大口徑的物鏡就具有愈長的焦距,同時也會增加磨製鏡片的難度,因此製作成本會較高及難以製造出大口徑的折射鏡。


圖:折射式望遠鏡光路圖

2.
反射式望遠鏡


反射式望遠鏡以凹面主鏡、平面副鏡及目鏡組成,透過反射光線而形成影像。反射式望遠鏡一般分為牛頓式及卡塞格林式兩種。牛頓式望遠鏡中,副鏡被放置在鏡筒前端,將光線反射到側面的目鏡(見圖:牛頓式光路圖),其設計較為便宜及簡單,容易自製。卡塞格林式望遠鏡中,副鏡雖然同樣地被放置在鏡筒前端,卻把光線反射到後方,穿過主鏡中心的洞口進入目鏡(見圖:卡塞格林式光路圖)。光線反射後在鏡筒走過兩次,因而縮短了鏡筒本來所需的長度。
反射式望遠鏡沒有使用折射的原理,因此解決了色差的問題,而且製造凹面主鏡所需要的材料價格亦相對便宜。反射鏡為便於磨製,一般會採用球面鏡的設計,以致平行進入望遠鏡的光線不能完全聚焦於同一點上,形成球面像差(見圖:球面像差/球面像差成像),影像變因此變得模糊。此外副鏡架也會阻擋着部份光線進入,加上光線會進行繞射(光線遇到障礙物時會偏離原來直線傳播的物理現象),因此會減低了集光力。
     


   圖:牛頓式光路圖  


          圖:卡塞格林式光路圖


圖:球面像差 
   

                                    圖:球面像差成像(中心圖像為没有球面像差)

3.
折反射式望遠鏡

顧名思義,折反射式望遠鏡結合了上述折射及反射鏡的原理。以卡塞格林式望遠鏡作為基礎,在副鏡的同一平面上加上特殊形狀的折射透鏡,以彌補反射式望遠鏡的不足。折反射式望遠鏡一般分為施密特-卡塞格林式及馬克蘇托夫-卡塞格林式兩種。前者的構造使用施密特修正板(特殊形狀的透鏡)以改善球面像差造成的問題。後者的構造則使用球面透鏡以修正主鏡造成的像差,雖然修正鏡較易磨製,但卻比較重。
如上述所說,與反射式望遠鏡比較,折反射式望遠鏡的優點在於球面像差得到修正,加上跟折射式望遠鏡同樣密封的設計能增加影像的穩定性及防止塵土進入鏡身。此外,由於光線進入透鏡後在鏡筒內反射兩次,因而大大縮減了鏡筒本來所需的長度,使望遠鏡方便攜帶及較容易製作大口徑的主鏡片。然而跟反射式望遠鏡一樣,其副鏡會阻擋部份光線進入,減低集光力。
     
                

              圖:施密特-卡塞格林式光路圖        ​        圖:馬克蘇托夫-卡塞格林式光路圖
總結


閱讀過這篇文章後相信大家都對光學望遠鏡有更深入的認識,以及了解到不同種類的光學望遠鏡各有其優缺。天文愛好者可以就着自己觀測天體的興趣及經濟能力等因素決定使用或購買什麼類型的望遠鏡,以更深入探索星空中隱藏着的秘密。


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