折射望远镜的发明发展与现代折射摄星镜的基本原理

说起折射望远镜的发展史,那得从眼镜说起。眼镜的发明追溯到13世纪,但它的用途却停留在眼镜的阶段很久,直到1608年荷兰米德尔堡眼镜师汉斯·李波尔(Hans Lippershey)发现用一片凸透镜和一片凹透镜组合,可以起到让远处物体放大的效果。终于望远镜诞生了,最初的单桶望远镜是航海用的,但我猜测肯定有人显得无聊用望远镜看星星的。但为什么折射天文望远镜的鼻祖是伽利略,因为伽利略不仅看了星星,还做了详细而系统的目视观测,并将观测成果公之于众并保存至今。

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当有人做出了望远镜的消息传到伽利略耳中的时候,伽利略兴奋极了,猜猜他干了什么?以我们的调性肯定是买买买呀,买个最高端的回来!!不,伽利略没有,所以说伟人就是伟人。伽利略详细的了解了望远镜的成像原理之后,开始动手自己磨制镜片。他不断的研究透镜成像的原理,以便能做出放大倍数更高的望远镜,终于在1610年他磨制出了当时放大倍数最高的折射望远镜,这台望远镜现存在博物馆里,可以将物体放大33倍。这在当时已经非常了不起了。

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伽利略望远镜的成像原理如下:
利用一个长焦距的凸透镜作为物镜,用一个短焦距的凹透镜作为目镜。根据成像公式:
放大倍数 = 物镜焦距/目镜焦距
所以物镜焦距越长,或者目镜焦距越短,放大率就越高。

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伽利略用这台现今看起来极为简陋(无论是机械结构还是光学设计)的望远镜,做出了很多重大发现。

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·  月球环形山,山脉,月海,还发现月球的天平动现象。
· 木星的条纹,木星的四颗伽利略卫星。并测定了四颗卫星的公转周期。
· 土星光环(事实上他一直认为那是土星的两个卫星,望远镜的分辨率太有限了)。
· 金星和水星的盈亏现象(水星盈亏观测非常难)。
· 太阳黑子和太阳自转周期测定。在没有巴德膜的情况下,看太阳黑子相当危险,他竟然没有失明。

伽利略的突出贡献,打开了天文望远镜观测的大门,也让天文望远镜的发展开了一个好头。
开普勒,就是那个发现行星三大定律的开普勒,在伽利略之后,对望远镜做出了重大改动。

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将目镜的凹透镜,换成了凸透镜。这样就可以获得更宽阔的视场,但缺点是成像会是倒像。不过倒像对天文观测毫无影响,因为天上根本不在乎正反。

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接着是惠更斯,惠更斯是个技术宅,他把大量的精力放在了研制和改进光学仪器上。当惠更斯还在荷兰的时候,就曾和他的哥哥一起以前所未有的精度成功地设计和磨制出了望远镜的透镜。由于凸透镜作为物镜有严重的色差,这个问题一直困扰着前人。

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惠更斯发现,如果把凸透镜的焦距做的很长,曲率很小,焦比很长的时候,色差就会减少很多。于是乎,折射望远镜越做越长,长焦时代来临了,焦比甚至做到了F25,由于当时还没有那么长的刚性镜筒,干脆那根线连接物镜和目镜。这样长的焦比下,色差只剩下淡淡的一圈,观测效果大大提高了。物镜焦距长了,放大率也自然高了很多。确实是当时非常有意义的改进。惠更斯正式发现了土星光环的存在。

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长焦比时代之后,又有一位牛人出现,就是霍尔。他发现冕牌玻璃和火石玻璃对光的折射率不同,色散能力也不同。(注:德国蔡司公司对玻璃做了非常严格的分类命名:K代表冕牌,F代表火石,Z为重,B代表硼,Ba代表钡,L代表镧 ,P代表磷,N代表无铅。双筒望远镜里用的最多的BK7棱镜,其所用的材料是硼硅酸盐玻璃中的第7号;而视野更明亮双桶采用了BaK4棱镜(第4号轻钡冕玻璃)。)

折射率较低而色散本领较小的冕玻璃制成凸透镜,折射率较高而色散本领较大的火石玻璃制成凹透镜。经过光学设计和计算,用火石玻璃和冕牌玻璃配合在一起共同作为物镜,就可以很大程度抵消单透镜的色散问题,这就是消色差设计。

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于是他精心设计了一组透镜,用冕牌玻璃做凸透镜,火石玻璃做凹透镜,组合起来作为物镜。为了保密,他把凸透镜的研磨和凹透镜的研磨分别包给了两家镜片公司去做。可惜人算不如天算,这两家镜片公司好死不死的将这两个订单丢给了一家手工研磨作坊。这作坊的工匠一看,发现这两片透镜是同一个人的订单,而且两片透镜的直径和曲率非常匹配,他立马意识到这是消色差设计。就这样,这位天文学家的消色差物镜磨好了,而消色差设计的消息也不胫而走。

这种消色差的结构,一直沿用至今。就是我们常说的普通消色差折射望远镜,简称普消。
其实普消有两种子分类:
一种叫双胶合消色差物镜,就是两个镜片是用胶水粘在一起的。

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另一种叫做双分离消色差物镜,两个镜片中间有一丝间隔。

三个黑色垫片就是分隔两片玻璃用的,图片来源于百度图片

这两种物镜都可以消色差做的还可以,而且也各有千秋。所以胶合和分离这两种设计都一直被使用着。你可以看看一些当今单反镜头的设计,就会发现许多分离镜片和胶合镜片组合使用的例子。

折射天文望远镜在专业天文台的使用在一开始是占据绝对的地位的,可以看到很多中世纪电影里都有折射天文望远镜的身影,比如耳熟能详的几部:福尔摩斯-巴斯克维尔的猎犬。 加勒比海盗5-死无对证,等等。

图片来源于腾讯视频截图

折射望远镜在专业天文台最后的辉煌是1米口径的叶凯士望远镜。由于折射镜片通过固定边缘和侧面,这个支撑结构的致命弱点,导致镜片很大很沉之后,重力引起的变形会让望远镜无法维持理想的形状。所以后来专业天文台望远镜都向反射望远镜发展。反射望远镜我们会在另一篇文章中单独介绍。

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不过,如果不需要做的很大的话,折射望远镜还是有很多优势的。比如折射望远镜没有中心遮挡,锐度很好,镜筒消光也可以做的很完美。所以折射方式,在中小口径望远镜中,依旧有很大的潜力。

但普消对色差的修正其实还很不完美,倍率稍大就能够看到色差。这是由于冕牌玻璃的低色散性能还不够优异。于是萤石和ED镜片诞生了,ED中文意思为“超低色散镜片”,其中的ED为英文 Extra-low Dispersion 的简写,而萤石缩写则是FL,相比之下萤石比ED的要更好也更贵,好在它在红光波段几乎无吸收,所以成像更通透也更明亮。毕竟萤石望远镜价格不太亲民,我们就不做过多的介绍了。

ED折射望远镜,属于比较高端的折射望远镜,但ED折射也分两个层级,一种是一般的ED镜,还有一种是达到了更高的光学标准,叫做复消色差(APO)望远镜。一般的ED望远镜物镜通常由两片玻璃组成,其中一采用了ED镜片,他可以做到让红色和蓝色光同时汇聚在焦点,但绿光无法修正,所以存在二级光谱色差。而APO是一种能让红绿蓝三色光同时汇聚到焦点的设计标准,做到复消色差至少需要三片透镜组合。3片式APO可以说是APO折射中的经典类型。镜头上都会标明Triple APO。(但要注意一点,并不是3片就一定叫APO,有些比较实在的厂家,知道自己的3片式ED达不到APO的标准,会自己标上EDT,也就是含ED镜片的3片式折射)

复消色差(APO),图片来源于百度图片

APO的水比较深,因为每个厂家对于APO的标准各不相同,有的高有的低,甚至有些厂家糊弄消费者,弄出一些semi-APO之类的。当然有个很好鉴别的方法,就是看价格。因为APO除了3个镜片6个光学表面需要精细打磨达到精度之外,还需要组合起来研磨以达到APO的光学标准,加上用了ED或者萤石镜片,所以生产时间和成本是明摆在那里的。

可能有人会问,普消、ED、APO说了这么多,我还是没概念,他们之间的差距到底有多大?
那我们就来看一组实拍月球的边缘放大到800%,来直观感受一下色差的差距。

普消折射望远镜
两片式ED折射望远镜
三片式APO折射望远镜

说真的,其实两片式ED折射比普消的改善并不是那么大,如果买的话,宁可一步到位买APO。

三片式APO还不算是终极,因为三片APO只是搞定了色差问题,而场平问题没有解决。
于是,最牛逼的一种APO诞生了,叫做改进型匹兹伐结构的APO摄星镜,也可以叫做内置平场摄星镜。

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它不仅色差控制的好,像场还很平整,成像圈很大。拍出来的照片,从中心到边角都是一锐到底。这就是折射天文望远镜目前登峰造极的发展成果。现在内置平场的APO已经不是什么新鲜事,这些专为摄影优化的APO在国内外爱好者中被广泛使用着。

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总结:折射望远镜发展一路坎坷,如今折射结构虽然已经不再是专业天文台的主流设备,但在民用天文市场发展的非常好。折射天文望远镜中心无遮挡,锐度高,天地两用,目视摄影兼备,很多发烧友都梦寐以求一台顶级APO作为镇宅之宝。

本文原作者:@WHY月亮王子

原文链接:https://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404370167646788213

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