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光学望远镜

时间:2013-09-04来源:机器视觉网http://shixinhua.com 作者:石鑫华 点击: 999999次

光学望远镜

光学望远镜是用于收集可见光的一种望远镜,并且经由聚焦光线,可以直接放大影像、进行目视观测或者摄影等等,特别是指用于观察夜空,固定在架台上的单筒望远镜,也包括手持的双筒镜和其他用途的望远镜。
 
光是由光子构成,而专业的望远镜会由电子探测器来收集光子。光学望远镜有三种主要的形式:折射望远镜 (使用凸透镜折射聚焦)、反射望远镜(以镜片反射光线并聚焦)和使用透镜和反射镜片组合的折反射望远镜(复合式望远镜),如马克苏托夫望远镜和史密特摄星镜。
八吋光学望远镜
八吋光学望远镜
 

工作原理

设计图中最基本的元素是收集光线的物镜(透镜(1)或凹面镜)、在一段距离外的物体(4)在焦平面上形成一个实像(5)。这个影像可以被记录或经过作用如同放大镜的目镜(2),让眼睛(3)可以看见远处被放大的虚像(6)。
 
刻卜勒式望远镜的简图
刻卜勒式望远镜的简图
 
使用两个凸透镜成像的望远镜产生的影像是倒置的,观赏地面景物的望远镜和双筒望远镜使用棱镜(一般为普罗棱镜)或是在物镜和目镜之间再安装一个或更多的透镜将影像转正,这样就能看见正立像。
 
许多形式的望远镜会使用次镜(副镜)甚至第三个镜片来折叠光路,这些也许是光学设计的整体部分(卡塞格林反射镜和其他类似),但也有望远镜以更简洁的方法和在更方便的位置上安置目镜或探测器使用。在大型望远镜上,这些附加的镜片通常是为了提供更大的视野或是改善影像的品质。
 

角分辨率

忽略大气扰动(视宁度或称视象度)对影像品质的影响和光学望远镜的缺点,一架光学望远镜的角分辨率取决于物镜,也就是望远镜口径大小。雷利准则提供分辨力的极限aR(径度量):
aR=1.22入/D,
此处入是光的波长,D是望远镜的口径。对可见光(入=550nm),公式可写成:
aR=138/D.
此处,aR 以角秒为单位的极限值,口径D单位是毫米。 在理想情况下,一对联星的距离即使略小于这个极限值aR也还能被分辨出来,这就是戴维斯极限:
aD=116/D.
 
实际上,口径越大,角分辨率就越好。 此处要特别强调的是,角分辨率不是为望远镜的最大放大率(或倍率)所提供的,经销商所提供的最大倍数是望远镜倍率的上限值,由于超越了物镜能力范围的最大倍率与角分辨率,不能把影像变得更清楚,通常得到的影像品质也是最差的。
 
对大型的固定地基望远镜,角分辨率的极限是由视象度决定,现今发展之望远镜安置在大气层之上,来消除空气对影像扰动影响角分辨率,也就是太空望远镜、气球望远镜和安装在飞机上的望远镜(古柏机载天文台、同温层红外线天文台(SOFIA)或将地基望远镜加装调适光学和斑点成像。)
 
近来,光学望远镜的综合口径阵列变得更实用,经由空间中一组小口径望远镜组合,在小心操控的光学平面连结下,可以获得更高的分辨率。但是这些干涉仪仍只能用于观测明亮天体,像是恒星或是活跃星系核,例如参宿四的星斑影像可以在此看见。
 

焦长和焦比

焦距决定了望远镜在配上目镜、一定大小的CCD或普通底片后可能观看的视野大小。望远镜的焦比(焦距比或f数,即摄影术语之“光圈”)是焦长和物镜口径(直径)比值。因此当口径(集光力)不变时,焦比低的视野较大。广角望远镜(像是天体照相仪)用来追踪卫星和小行星,或是从事宇宙射线的研究和巡天观测。低焦比望远镜的像差比高焦比的更难以消除。
 

集光力

一架望远镜的集光力直接与物镜(透镜或镜片)的直径(即口径)有关。要注意圆面积与半径的平方成正比,因此当望远镜的镜片直径增加三倍时,集光力会增加九倍,口径越大收集的光线越多;另外灵敏度高的影像设备(如CCD)能在较少的光量下获得比较好的影像品质。
帕瑞纳天文台利用雷射校准强化画质的光学望远镜
帕瑞纳天文台利用雷射校准强化画质的光学望远镜
 

研究用望远镜

几乎所有用于研究的大型天文望远镜都是反射镜,其原因是:
 
在采用透镜之下,必须整块镜片材料皆为没有缺点和均匀而没有多相性,而反射镜只需要将一个表面完美的磨光,磨制相对简易。
 
除真空环境下,不同颜色的光在穿透介质时会有不同的播速度,这会造成折射镜特有的色差。
大口径透镜在制造和操作上都有技术上的困难。其一是所有的材料都会因为重力而下垂,观测举得最高而且也是相对较重的透镜只能在镜片周围加以支撑,另一方面,面镜除了反射面以外,可以在反射面的背面和其他的侧边进行支撑。
 
光学望远镜大小在20世纪稳定的增加,在1910至1940年增加一倍,在1940至1990年又增加一倍。现在最大的望远镜是11米的SALT和Hobby-Eberly望远镜,以及10.4米的 Gran Telescopio Canarias。
 
在1980年代,在技术上作出改进的新一代望远镜有了长足的进步,这些进步包括多镜片望远镜,可以控制镜片的个人电脑,另一个主要的进展是旋转的熔炉,可以用离心力让望远镜的镜片在融炉中就接近要磨制的形状(曲率半径)。
 

其他形式

双筒望远镜是将两架单筒望远镜肩并肩的组合在一起,而能同时使用的望远镜。这种望远镜最主要的实用优点不是放大,而是在黎明或薄暮时有明亮的视场。与指南针结合在一起的单筒或双筒望远镜,在军队的炮兵单位和船舰会用于三角测量与地形(海岸)特征的导航上。手持的望远镜不会受到手震影响的极限是七倍,因此要有明亮的视场和最佳倍数的双筒望远镜是7×50的规格。
 
由于双筒望远镜有视场较广,较明亮且容易操作、较专业望远镜便宜等原因,成为天文爱好者平时学习观测的常用器材,而较大口径的双筒望远镜更成为了一些天文爱好者成功寻得新彗星的重要器材;另外亦有天文爱好者尝试把两具同一口径的反射望远镜组装成双筒望远镜。
 
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