星系与宇宙 天文爱好者 天文机构 天文发展动态 天文图片荟萃 美丽的星空 恒星与银河系 太阳与太阳系 人类的家园--地球

天文科普仪器

天文望远镜

北京天文台

周志中

  随着我国教育事业的不断发展,作为六大基础学科之一的天文学越来越受到人们的重视。一些地方的大学、中学、甚至于小学都先后建立了小型天文台、天象厅。天文爱好者的队伍也逐渐壮大起来。对于天文爱好者和从事天文科普教学的老师来说,拥有一架品质优良的天文望远镜是最基本的要求。经济条件好的也希望建造天文圆顶,购置各种各样的终端设备(如CCD照相机等)。
  那么科普望远镜有那些种类?性能指标如何?怎样维护和保养?国内外主要产品有那些?等等,相信是大多数天文爱好者都想了解的问题。

一. 望远镜的光学系统

1.折射望远镜
  折射望远镜是用透镜作物镜将光线汇聚的系统。世界上第一架天文望远镜就是伽利略制造的折射望远镜,它是采用一块凸透镜为物镜制作而成的。由于玻璃对不同颜色光的折射率不同,会产生严重的色差,因此,后来的折射望远镜多采用复合透镜作为物镜,即由两块以上的透镜组成,用来消除色差(如美国Meade公司的ED系列)。通常折射望远镜的相对口径较小,即焦距长,底片比例尺大,从而分辨率高,比较适合于做天体测量方面的工作(如测量恒星的位置、双星的角距等)。

2.反射望远镜
  反射望远镜的物镜是反射镜,为了消除像差,一般制成抛物面镜或抛物面镜加双曲面镜组成卡塞格林系统。在这种系统中,天体的光线只受到反射。目前反射望远镜在天文观测中的应用已十分广泛,由于镜面材料在光学性能上没有特殊的要求,且没有色差问题,因此,它与折射系统相比,可以使用大口径材料,也可以使用多镜面拼镶技术等;而镜面在镀膜后,可获得从紫外到红外波段良好的反射率;因此较适合于进行恒星物理方面的工作(恒星的测光与分光),目前设计和建造的大口径望远镜都是采用的反射系统,遗憾的是反射望远镜的反射镜面需要定期镀膜,故它在科普望远镜中的应用受到了限制。
  反射望远镜由于工作焦点的不同又分为牛顿系统和R—C系统(如我国最大的2.16米望远镜)、折轴系统等。

3.折反射望远镜
  顾名思义是将折射系统与反射系统相结合的一种光学系统,它的物镜既包含透镜又包含反射镜,天体的光线要同时受到折射和反射。这种系统的特点是便于校正轴外像差。以球面镜为基础,加入适当的折射元件,用以校正球差,得以取得良好的光学质量。应用最广泛的有施密特望远镜(美国Meade 12”LX200SC),施密特—卡塞格林系统(南京天仪中心的KP300S),马克苏托夫与马克苏托夫—卡塞格林望远镜(南京御夫天文科教仪器厂生产的Φ160mm等系列)四种类型。由于折反射望远镜具有视场大、光力强等特点,适合于观测延伸(彗星、星系、弥散星云等)天体,并可进行巡天观测,较适合天文爱好者使用。

二.望远镜的机械装置

1.赤道式装置
  赤道式装置是指望远镜的赤纬轴与赤经轴(即极轴)相互垂直,并且赤经轴(极轴)指向天极与地球自转轴平行,其最大的特点是可以很方便的实现天体的周日视运动。望远镜跟踪天体时,只是赤经轴运动而赤纬轴不动(仅仅在望远镜找星时才用)。因此,许多科普望远镜多将赤纬轴转动设计成手动。在赤道式装置的望远镜中,又可分为美国式(叉式)、德国式、摇篮式、马蹄式与英国式(双柱式)等,而大部分的科普望远镜采用的是德国式与美国式(叉式)装置。

2.地平式装置
  地平装置是指望远镜有两个相互垂直的轴,一个是水平轴(也叫高度轴),一个是垂直轴(也叫方位轴);镜筒与水平轴相联,跟踪天体时必须两个轴同时运动;其优点是重力对称,结构紧凑,造价较低,口径可以做得大,圆顶随动控制简单。缺点为焦点是旋转的,并且在天顶处有一不能跟踪的盲区。建议爱好者在购买望远镜时尽量选用赤道式装置的望远镜。

三.望远镜的性能指标

  评价一架望远镜的好坏,首先要看它的光学性能,其次看它的机械性能(指向精度与跟踪精度)是否优良。光学望远镜的光学性能一般用下列指标来衡量:

1.有效口径(D)
  指望远镜的通光直径,即望远镜入射光瞳直径。望远镜的口径愈大,聚光本领就愈强,愈能观测到更暗弱的天体,它反映了望远镜观测天体的能力,因此,爱好者在经济条件许可的情况下,应选择较大口径的望远镜。

2.焦距(F)
  望远镜的焦距主要是指物镜的焦距。物镜焦距F是天体摄影时底片比例尺的主要标志。对于同一天体而言,焦距越长,天体在焦平面上成的像就越大。

3.相对口径(A)
  相对口径又称光力,它是望远镜的有效口径D与焦距F之比,它的倒数叫焦比(F/D)。有效口径越大对观测行星、彗星、星系、星云等延伸天体是非常有利的,因为它们的成像照度与望远镜的口径平方成正比;而流星等所谓线形天体的成像照度与相对口径A和有效口径D的积成正比。故此,作天体摄影时,应注意选择合适的有效口径A或焦比。

4.视场(ω)
  能够被望远镜良好成像的区域所对应的天空角直径称望远镜的视场。望远镜的视场与放大率成反比,放大率越大,视场越小。不同的口径、不同的焦距、不同的光学系统与质量(像差),决定了望远镜的视场的大小(CCD的像数尺寸有时也会约束视场的大小);一般科普用反射望远镜的视场小于1度,而施密特望远镜消像差比较好,故它的视场可达几十度。

5.放大率(M)
  目视望远镜的放大率等于物镜焦距与目镜焦距之比,也等于物镜入射光瞳与出射光瞳之比。因此,只要变换不同的目镜就能改变望远镜的放大倍数,但由于受物镜分辨本领,大气视宁静度及出瞳直径不能过小等因素的影响,望远镜的放大倍率也不是可以无限制的增大;一般情况应控制在物镜口径毫米数的1-2倍(最大不要超过300倍)。

6.分辨本领
  望远镜的分辨本领由望远镜的分辨角的倒数来衡量。分辨角(δ)通常以角秒为单位,是指刚刚能被望远镜分辩开的天球上两发光点之间的角距,理论上根据光的衍射原理可得

δ=1.22λ/D

式中λ为入射光的波长,对于目视望远镜而言,以人眼最敏感的波长λ=555纳米来代替,并取物镜口径D以毫米计,则有:

δ”=140/D(mm)

由于大气视宁静度与望远镜系统像差等的影响,实际的分辨角要远大于此(一般介于0.5到2角秒间)。

  望远镜的分辨率愈高,愈能观测到更暗、更多的天体,所以说,高分辨率是望远镜最重要的性能指标之一。

7.贯穿本领
  指在晴朗的夜空将望远镜指向天顶,所能看到的最暗的天体,用星等来表示。在无月夜的晴朗夜空,我们人的眼睛一般可以看见6等左右的星;一架望远镜可以看见几等星主要是由望远镜的口径大小决定的,口径愈大,看见星等也就愈高(如50毫米的望远镜可看见10等星,500毫米的望远镜就可看到15等的星)。

四.望远镜的终端设备

  应该说没有终端探测器的望远镜称不上是一个完整的望远镜,望远镜的物镜将无穷远的天体成像在焦平面上,再通过不同的终端探测器来接受所需要的信号。事实上人的眼睛就是一个天然的探测器,在天文观测中除了人眼外,还有照相底片、光电光度计、CCD(电荷耦和器件)照相机、光谱仪等终端。对于大部分爱好者来讲,主要还是使用照相底片来进行天文观测。当然,目前也有一些有条件的学校和个人已开始使用非专业级的CCD照相机(Meade Pictor –XT和SBIG公司的ST系列等如下图)来观测天体。

ccd1 ccd3 ccd2
五.望远镜的维护与保养

1. 保证望远镜等光学元件存放在通风、干燥、洁净的地方,有条件的可在镜筒内放入干燥剂,并经常更换;对于目镜等小的光学元件,可以放入干燥箱、干燥缸内。雨雪天、风沙、湿度大(超过85%)的天气均不要使用望远镜。

2. 光学镜面上如有灰尘等脏物,应用洗耳球轻轻吹去,千万不要用布和硬毛刷去擦试;如要清洗镜面,应当用脱脂棉占上酒精与乙醚各50%的混合液,从镜面的中心顺着一个方向(不能反向)向镜面的边缘擦试,并不断更换脱脂棉球直到擦试干净为止。

3. 望远镜的机械及跟踪系统是属于高精度的传动系统,一般不需要经常维护,只是要按照说明书的要求,定期加入同样型号的润滑油(脂);若型号不同,请将原来的润滑油(脂)用煤油等清洗干净后再加入新的润滑油(脂),注意千万不要将不同类型的润滑油(脂)混合使用。

4. 望远镜的控制系统应不定期的进行检查,使用时应严格按照说明书的要求操作,平时应防止水汽、异物进入电路部分,电池长期不用应取出保存好。

5. 反射望远镜的反射镜面应定期(一般情况1-3年)进行镀膜,以保证反射镜面具有良好的反射率。

6. 望远镜的表面除了平时注意保护外,应不定期的进行清洁,注意不要使用有机溶剂。

  以上提到的维护与保养操作最好请天文单位的专业人员协助进行。

六.国内外主要科普望远镜系列

  目前,国内外生产科普型望远镜的厂家及产品越来越多,质量也参差不齐,其品种规格却大同小异;口径大部分是从80毫米到400毫米不等的折射、折反射(大部分采用的是马克苏托夫—卡塞格林与施密特—卡塞格林两种系统)以及部分反射望远镜(见下图);售价从几千元到几十万元人民币不等。它们根据不同的需要与口径的大小又分为固定式与便携式两种类型,其结构形式采用赤道式装置中的德国式与美国式(叉式)居多;传动与跟踪方式不外乎手动、电动、自动加全电脑智能化控制等等 (表1)

  全文仅对通常使用的天文科普望远镜作了简单介绍,广大天文爱好者如希望了解更多的知识与信息,请进一步查阅有关书籍和资料,也可与我们联系:北京市朝阳区大屯路甲20号,中科院北京天文台(100012),
Email:zzz@bao.ac.cn

折射望远镜 折射望远镜-t 折射望远镜-m 200mm折射望远镜
折反射望远镜-n

 

折反射望远镜-t-1

折反射望远镜-m 牛顿望远镜-j 折反射望远镜-t

 

 

折反射望远镜-n

牛顿望远镜-m
反射望远镜-t 反射望远镜-n