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望远镜的工作原理

2017-09-01 19页 doc 184KB 23阅读

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望远镜的工作原理望远镜的工作原理 也许您曾注视过夜空中的繁星,寻找美丽的星 座;也许您已经学习过有关星座的知识,而现 在希望在的帮助下近距离地观测月球、 行星或恒星等天体。 美国国家航空和航天局供图 望远镜是用来放大远处物体的设备。望远镜有 多种类型以及多种价格可供选择。如何知道哪一种最适合您呢?如何保证 在拿着新望远镜出去观星时不会失望呢? 在本文中,我们将分析望远镜的原理,讨论望远镜的各种类型,并且考察 望远镜的支架和配件。 望远镜是一种神奇的设备,它能够让遥远的物体看起来近得多!望远镜的 形状和尺寸千差万别,从只需2美元就能...
望远镜的工作原理
望远镜的工作原理 也许您曾注视过夜空中的繁星,寻找美丽的星 座;也许您已经学习过有关星座的知识,而现 在希望在的帮助下近距离地观测月球、 行星或恒星等天体。 美国国家航空和航天局供图 望远镜是用来放大远处物体的设备。望远镜有 多种类型以及多种价格可供选择。如何知道哪一种最适合您呢?如何保证 在拿着新望远镜出去观星时不会失望呢? 在本文中,我们将分析望远镜的原理,讨论望远镜的各种类型,并且考察 望远镜的支架和配件。 望远镜是一种神奇的设备,它能够让遥远的物体看起来近得多!望远镜的 形状和尺寸千差万别,从只需2美元就能从玩具店买到的小塑料望远镜, 到重达数吨的哈勃太空望远镜,应有尽有。业余望远镜介于两者之间,尽 管它们的功能不如哈勃望远镜强大,但也能做一些令人难以置信的事情。 例如,利用一架15厘米长的小望远镜,就可以看清55米外的一角硬币上的图案! 现在,您看到的大多数望远镜都属于以下两种类型之一: 折射望远镜,它使用玻璃镜头。 反射望远镜,它使用反射镜而不是透镜。 两种类型的望远镜功能完全一样,但实现功能的方式完全不同! 要理解望远镜的原理,首先要回答下面的问。为什么人们看不清远处的 物体?例如,在您用裸眼看55米外的一角硬币时,为什么看不到硬币上 的图案?这个问题的很简单:该物体没有在您眼睛的屏幕()上占据大量空间。如果要以数码相机术语来考虑这一问题,可以说55米外硬币上的图案没有在您的视网膜感受器上覆盖足以使您看清图案的像 素。 如果您拥有“更大的眼睛”,可以从物体收集更多光线并形成更明亮的影 像,那么您就可以放大影像的一部分,使影像扩展到视网膜上的更多像素。 望远镜中的下面两个部件实现了这一功能: (在折射望远镜中)或(反射望远镜)从遥远的物体收集 大量光线,然后将光线或影像投射到一个点,即。 接收来自物镜或主镜焦点处的明亮光线,然后“将其扩散开来” (放大),从而在视网膜上占据大片区域。这和放大镜(透镜)的 原理相同;放大镜获取纸上的小影像并将其扩散到眼睛的视网膜上, 从而使其看起来变大了。 将物镜或主镜与目镜组合在一起,就得到了望远镜。同样,其基本概念是 收集大量光线以在望远镜内形成明亮的影像,然后使用类似于放大镜的部 件放大这一明亮影像,使它在您的视网膜上占据大量空间。 这就是可能实现的最简单的望远镜设计。大透镜收集光线并将其会聚 到焦点,然后由小透镜将影像投射到您的眼睛。 望远镜有两个普遍特性: 收集光线的能力 放大影像的能力 望远镜收集光线的能力与用于收集光线的透镜(或反射镜)的直径—— ——直接相关。通常,光圈越大,望远镜收集并投射到焦点的光线越多, 最终影像也就越明亮。 望远镜的即放大影像的能力取决于所使用的透镜组合。目镜执行 放大功能。由于几乎所有望远镜都可以通过使用不同的目镜获得任何放大 倍数,因此光圈是比放大倍数更重要的特性。 为了解望远镜中的具体工作方式,下面让我们来看看折射望远镜(使用透 镜的望远镜)是如何放大远处物体的影像以使其看起来更近的。 制作简单的望远镜 1. 取两个放大镜(如果它们大小不等,则可以实现最佳效果) 和一篇打印好的文章。 2. 将一片放大镜(大的那一片)放在您和纸之间。文章上的 影像看起来会很模糊。 3. 将另一个放大镜放在您的眼睛和第一个放大镜之间。 4. 前后移动第二片玻璃,直到印刷内容看起来非常清晰。您 将注意到文章看起来变大了,并且是倒立的。 荷兰密得尔堡的因在1608年发明折射望远镜而声名远播,而这件仪器最初用于军事用途。是第一个将它用于天文学的人。利伯希和伽利略的设计使用的都是凸透镜和凹透镜的组合。大 约在1611年,改进了设计,引入两个凸透镜,使影像倒立。开普 勒的设计至今仍是折射望远镜的主要设计方式,只是后来对透镜和制造透 镜的玻璃进行了一些改进。 折射望远镜是我们大多数人熟悉的望远镜类型。这类望远镜有以下部件: 一个用金属、塑料或木头制造的长镜筒 位于前端的玻璃组合透镜(物镜) 另一个玻璃组合透镜(目镜) 折射望远镜内部光路图。 透镜位于镜筒内,彼此之间保持适当的距离。镜筒还有助于防止灰尘、湿 气和光线进入并干扰成像。物镜收集光线,然后将其折射至镜筒后部附近的焦点。目镜将影像投射到您的眼睛上,并放大该影像。目镜的焦距远小 于物镜的焦距。 所使用的透镜没有针对(色差指有时出现在通过折射望远镜看到的影像周围的彩虹光环)进行严格校正。它们通常使用“带 涂层”的透镜来解决此问题。使用多透镜设计或由其他类型的玻璃(例如荧石)制造的透镜来避免色差。复合消色差折射望远 镜的价格要比消色差折射望远镜高出许多。 折射望远镜具有不错的分辨率,足以看清行星和双星上的细节。但是,很难为折射望远镜制造大的物镜(直径超过10厘米)。如果考虑单位光圈的成本,那么折射望远镜就比较昂贵了。由于光圈受到限制,因此对于观 测暗淡的深空天体,比如星系和星云,折射望远镜的用途不如其他类型的 望远镜。 艾萨克•牛顿在1680年左右发明了反射望远镜,以解决他那个时代的折射 望远镜所具有的令人讨厌的色差(彩虹光环)问题。牛顿没有使用透镜来 收集光线,而是使用金属曲面反射镜(主镜)来收集光线并将其反射到焦点。反射镜不存在透镜所具有的色差问题。牛顿将主镜放在镜筒的后部。 由于反射镜将光线反射回镜筒中,因此他必须在主镜的焦路上使用小平面 反射镜(副镜)将影像沿镜筒反射至目镜;否则,他必须把眼睛放在入射 光的光路中进行观测。另外,您可能认为副镜会阻挡部分影像,但与用于 收集大量光线的主镜相比,它非常小,因此这个较小的副镜不会阻挡影像。 1722年,约翰•哈德利发明了使用抛面镜的设计,并且在制镜工艺方面进 行了多项改进。是一项非常成功的设计,至今仍是最流 行的望远镜设计之一。 牛顿式反射望远镜内部光路图。 (或)反射望远镜是一种焦比较短、放大倍数较低的牛顿式 反射望远镜。(又称)是焦距除以光圈所得到的结果值,它与影像的亮度有关。这种望远镜提供了比焦比更大的望远镜更宽的视场, 并且能够提供彗星和深空天体(比如星云、星系和星团)的明亮的全景影 像。 作者的Astroscan 2001大视场 望远镜。 镜筒内部一览——请注意主镜以及副镜反射到主镜上的影像。 是一类具有简单镜筒和经纬仪(参见下文)的牛顿式反射望 远镜。因为它们是由塑料、玻璃纤维或胶合板制成,所以制作或购买成本 都不高。多布森望远镜可以具有大光圈(15至43厘米)。由于它们光圈大,价格低,因此多布森望远镜非常适合观测深空天体。 反射望远镜制作简单,价格低廉。大光圈主镜(超过25厘米)很容易制造,这意味着反射望远镜的单位光圈的成本相对较低。反射望远镜具有较 高的光线收集能力,可以形成暗淡的深空天体的明亮影像,适用于目视观 测以及天文摄影。反射望远镜的一个缺点是必须不定期清洁和调校反射 镜。另外,打磨反射镜时出现的微小误差都可使影像失真。下面是一些常 见问题: 从反射镜边缘反射的光线的会聚点与从中心反射的光 线的会聚点稍微偏离。 ——反射镜没有相对于中心对称放置(例如,可能稍微呈蛋形); 星体影像会聚成十字,而不是会聚成点。 ——视场边缘附近的星体看起来被拉长了,就像彗星一样,而 位于中心的星体是光线锐点。 此外,所有反射望远镜都存在一定程度的光线损失,原因有两个:首先, 副镜阻碍部分光线进入望远镜;其次,反射镜的反射涂层不可能完全反射 入射光——最好的涂层也只能反射90%的入射光。 复合或折反射望远镜是在设计中综合了折射望远镜和反射望远镜特点的 混合式望远镜。第一架由德国天文学家伯哈德•施密特 (Bernhard Schmidt)于1930年制成。施密特望远镜的后部有一个主镜, 望远镜前端有一块用于消除球面像差的玻璃校正板。该望远镜最初主要用 于摄影,因为它没有副镜或物镜——主镜的主焦点处放置的是摄影胶片。 目前最流行的类型是二十世纪六十年代发明的 设计;它使用一个副镜将光线通过主镜中的小孔 反射到目镜。 复合望远镜内部光路图。 第二种复合望远镜是由俄罗斯天文学家马克苏托夫(D. Maksutov)发明的,不过荷兰天文学家包沃斯(A. Bouwers)早在1941年就先于马克苏托夫提出了类似的设计。马克苏托夫望远镜与施密特的设计类似,但使用 了曲率更大的球面校正透镜。设计与施密特-卡赛格林设计类似。 望远镜必须使用某种底座或支架加以支撑——否则,您必须一直拿着望远 镜。使用,您可以: 使望远镜保持稳定 使望远镜对准星体或其他物体(鸟) 针对地球自转引起的星体移动调整望远镜 使您的双手可以从事其他活动(聚焦、更换目镜、做笔记、绘图) 有两种基本的望远镜支架: 经纬仪 赤道仪 望远镜类型和支架图。 支架具有两个旋转轴:一个水平轴和一个垂直轴。要使望远镜指向 物体,需要沿地平线(经度轴)旋转望远镜至物体的水平位置,然后沿纬 度轴倾斜望远镜至物体的垂直位置。这种类型的支架容易使用,在廉价望 远镜中最常见。经纬仪支架具有两种变体: 球窝——在两种廉价的大视场望远镜中使用。它的球形末端可在承 窝支架中自由旋转。 摇杆箱——一个低重心箱体支架,通常用胶合板制成,带有一个水 平圆形底座(经度轴)和用于纬度轴的特氟纶轴承。这种支架通常 用在多布森望远镜中。它可以为较重的望远镜提供良好支持,并且 可以实现流畅的、无摩擦的运动。 经纬仪支架相对于星体的运动。 尽管经纬仪支架简单易用,但不适合跟踪星体运动。在试图跟踪星体运动 时,支架会沿“之”字形轨迹运动,而不是在天空划出一道平滑的弧线。 为了便于说明,上图中的“之”字形运动有所夸大和简化;实际上会有更 多的运动步骤,而每一步的步幅更短。这使得这种类型的支架对于拍摄星 体照片毫无用处。 支架也有两个正交旋转轴——赤经和赤纬。但是,它不是采用上下 移动的方式进行定向,而是以与地球旋转轴相同的角度倾斜。赤道仪支架 有两种类型: 德国式赤道仪支架——外形像“T”字。“T”的长轴与地球的磁极 对齐。 叉式支架——一种两分叉的叉型装置,放在与地球磁极对齐的楔形 底座上。叉型装置的底座是一个旋转轴,两个分叉是另一个旋转轴。 赤道仪支架相对于星体的运动。 在与地球磁极正确对齐后,赤道仪支架使望远镜可以跟踪天空中星体的平 滑弧形运动。另外,它们还可以配备以下装置: ——使您可以通过星体的天体坐标(赤经,赤纬)轻松定位 星体 ——使您或您的计算机(笔记本、台式机或PDA)持 续驱动望远镜来跟踪星体。 要进行天文摄影,需要使用赤道仪支架。 是折射望远镜中的第二个透镜或者反射望远镜中的唯一透镜。目镜可 采用多种光学#设计#,它由一个透镜组成,或者由多个透镜的组合组成 ——它们本身就非常像一架迷你望远镜。 通过目镜观测。请注意, 影像是倒立的。 目镜的用途包括: 进行放大,并允许你改变望远镜的放大倍数 形成锐利的影像 提供舒适的眼睛间隙(影像位于焦点时,你的眼睛与目镜之间的距 离) 决定望远镜的视场: ——单独通过目镜可以看到的天空的范围,以度为 单位(目镜上标出) ——将目镜放在望远镜中时可以看到的天空的范围 (实际视场=可见视场/放大倍数) 有多种目镜设计方案: Huygens Ramsden Orthoscopic Kellner和RKE Erfle Plossl Nagler Barlow(与其他目镜组合使用,以便将放大倍数提高2到3倍) 各种目镜示意图。 和目镜是最古老的设计方案。它们存在色差问题,常用 于最便宜和效果最差的望远镜中。 目镜由恩斯特•阿贝(Ernst Abbe)于1880年发明。它们由4个元件组成,可见视场为45度(有点窄)。该光学设计能够提供清晰的 视场,具有良好的眼睛间隙,非常适合于观测行星。Orthoscopic目镜的价格为每个50美元到100美元。 和(Edmund Scientific针对Kellner进行的专利改良设计)是包含3个元件的设计,可在40度视场内成像,存在一定程度的色差。 它们具有良好的眼睛间隙。Kellner目镜最适合于长焦距望远镜。它们具 有良好的性价比。每个目镜的价格为30美元到50美元不等。 RKE目镜组。 目镜是在二战期间发明的。它们具有包含5个元件的设计,并且具 有宽阔的60度视场。它们存在重影和像散问题,因而不适合于观测行星。 基于Erfle设计的改良设计称为广角目镜。 目镜的设计分为4元件设计和5元件设计两种,视场为50度。它们有良好的眼睛间隙(焦距为10毫米或更短的透镜除外)。它们在尺寸 为15到30毫米时性能最好。它们品质优良,尤其适合于观测行星。它们 存在一定程度的像散问题,尤其是在视场边缘。它们非常流行。 目镜于1982年问世,当时的广告宣传词是“就像在太空中行走一 样”。它们包含7个元件,视场达到令人难以置信的82度。它们的镜筒尺寸只有5.08厘米这一种规格,沉重(重达1公斤)且昂贵。 透镜在现有目镜基础上提高了放大倍数,并且提供了更好的眼睛间 隙,是一种经济实惠的设计。这种目镜可以插入到Barlow透镜中,然后将后者插入目镜座。 将目镜插入Barlow透镜以提高放大倍数。 最后一类目镜是。这类目镜有许多种设计,仅用于 天文摄影。它们有助于在胶片曝光过程(耗时10分钟到1小时不等)中引导望远镜跟踪对象。 是用于帮助望远镜对准目标的设备,类 似于步枪上的瞄准器。定位器有三种基本类型: 瞄准镜——使您可以对准目标的凹槽或 圆圈 反射瞄准镜——一个反光镜箱,它能够 瞄准镜 显示天空并用红色LED二极管聚光灯照 亮目标,类似于枪支上的激光瞄准器 望远瞄准镜——一个安装在侧面并带有十字标线的小型、低放大倍 数(5x至10x)望远镜,类似于步枪上的望远瞄准器 一些定位器是望远镜的标准配件,其他定位器则单独出售。 滤光镜 是玻璃或塑料镜片,可以将它们放置在目镜的镜筒中,以便限制影 像中进入目镜的光线的波长。 用于进行观测的滤光镜组,其中包括一个光污染滤光镜(左)和一些 用于增强行星影像对比度的有色滤光镜。 滤光镜可用于: 改善光污染天空中的黯淡天体的观测效果 增强月球和行星上的细微特征与细节的对比度 安全地观测太阳(有关详细信息,请参见观测太阳) 将滤光镜旋入目镜镜筒。 完整的滤光镜、目镜组合。 防露罩 因为您可能在凉爽的夜间进行观测,所以湿气可能在望远镜中和光学元件 上凝结。为避免发生这种情况,您可以使用包裹在望远镜前端的防露罩。 防露罩加长了镜筒长度,使湿气在罩内而不是镜筒内凝结。一些防露罩可 以进行加热,以完全避免湿气凝结。 其他探测器 眼睛是任何望远镜的主要光线探测器。对于大多数业务天文爱好者来说, 这是他们需要的唯一的探测器。但是,您可能希望将看到的景观拍成照片, 这时,您可以通过传统的透镜和胶片相机或者使用CCD设备或数码相机来 进行拍摄。一些天文学家使用望远镜以及光度计(用于测量光强的设备) 或分光镜(用于测量天体光线的波长和强度的设备)进行科学测量。 许多业余爱好者喜欢制作自己的望远镜。一些人喜欢花时间打磨反射镜或 透镜,切削镜筒,安装光学元件以及制作支架。使用自己亲手制造的仪器 会给人一种自豪感和满足感。如果您不愿打磨自己的光学元件,那么可以 选择购买许多部件(物镜、主镜和副镜)——您只需按照所需的设计组装 它们。业务望远镜制作爱好者还建立了网络,并且提供丰富的设计和建议。 有关制作自己的望远镜的更多信息,请参阅了解更多信息部分。 无论您是自己制作还是购买望远镜,都可以用它来长时间地观赏美丽的夜 空及其所有奇观。 观测注意事项 许多刚入门或初次接触天文观 测的天文爱好者在杂志里看到 哈勃太空望远镜或各个天文台 大型望远镜观测到的图片以后, 就以为从他们自己购买的望远 镜里也能看到这些高品质的影 像。一旦他们没有看到这些高品 质的影像,他们就停止观测。请 记住,您不会从您的业余望远镜 里看到“哈勃品质”的影像;不 过,您看到的内容仍会让您惊叹 不已。 望远镜可以将夜空拉近,并且减少它的神秘感。 无需拥有功能最强大的望远镜,就可以在天空的某个部分中看到令人惊奇 的细致景观。不过,在您决定要购买哪种望远镜之前,需要解决的最重要 的一件事情就是确定您想看到什么。在本节中,我们将讨论您可以利用望 远镜进行的各种观测。下面是您可能想要观测的一些天体: 月球 太阳 行星 恒星 彗星 我们将讨论这些天体以及其他天体,并且让您了解通过望远镜可以实际看 到哪些天体。 在让您了解我们讨论的对象在小型望远镜中的样子之前,我将首先描述一 下它们在我用来进行观测的100毫米大视场反射望远镜中的样子。 然后,我们将讨论它们在更大、性能更高的望远镜中的样子。 美国国家航空和航天局供图 月球上的哥白尼环形山 月球是夜空中最突出的天体。它体积大且明亮,容易找到。由于月球的明 暗分布情况每天都在随着变化的月相而变化,因此您每天观测到的特征都 不相同。月球有许多可以观测的内容,并且您无需使用巨大的望远镜即可 看到它的特征。利用双筒或小型望远镜(50毫米折射望远镜、100毫米反射望远镜),您可以观测: 山脉 环形山 月海或“海” 晨昏线——明暗之间的分隔线,在这里可以看到最大的反差 月球非常著名,所以您很容易找到月球的地图或图片(无论是在网络上还是在杂志或课本中),以便帮助您识别所观测到的月球特征。使用大光圈 望远镜(15至25厘米)将可以看到这些特征的近距离影像。您甚至可以 利用自己的观测结果或其他影像来测量月球山的高度。 与流行的观点相反,不是满月期间,而是在月球处于 ,因为此时太阳以一定角度照射月球表面,能够观察 到地势的起伏。有时,可以使用月球滤光镜增强景观的对比度并凸显细节。另外,如果光线过强,而您使用的是反射望远镜,则可以张开五指并遮在望远镜镜筒前端,以减少光线数量并提高对比度。 在月食时观测月球常常可以得到不错的效果,这时地球的影子会缓缓遮住 月球表面。您可以使用美国海军天文台的月食计算机搞清楚月食发生的时 间。 美国国家航空和航天局供图 在佛罗里达州梅里特岛观测的月食 月球是天文摄影的极佳目标。您可以使用摄远镜头或者通过在望远镜上加装相机来拍摄月球。
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