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天文望遠鏡之分類

璀燦的群星,絢爛的銀河,在晴朗無雲、無光害的夜晚,你是否也會被美麗的星空所吸引?夜晚的天空被無數的星座、皎潔的明月、偶爾出現的流星所點綴,想要更進一步認識星空,除了用肉眼觀察之外,我們則需要使用專門的工具來觀測。

「天文望遠鏡」能將太空中遠處的天體影像放大,不但能讓我們看清楚月球表面的坑洞、太陽黑子,及星團、星雲的結構,還可以搭配相機留下最美好的攝影記錄。

一般天文望遠鏡的結構有兩部分:主鏡(物鏡)跟目鏡。主鏡的功能是收集光線,因為人的肉眼瞳孔太小,入射光量不足,所以不容易看清楚遠處的物體;而天文望遠鏡主(物)鏡的直徑較大,可以允許大量的光線進入。所以天文望遠鏡的效能,完全取決於主鏡的直徑,我們稱之為「口徑」。「口徑」越大的天文望遠鏡收集光線的能力越強,成像的效果越明亮、解析度也越好。

隨著科技的進步及發展,科學家已經研發出各式新型的天文望遠鏡,這些天文望遠鏡大致可以分成3種類型:「折射式望遠鏡」、「反射式望遠鏡」,以及「複合式望遠鏡(又稱折反射式望遠鏡)」,以下針對這3種主要類型,做簡單的介紹。

折射式望遠鏡(Refracting Telescope)

西元1608年荷蘭人漢斯‧李普西(Hans Lippershey)成為第一個申請望遠鏡專利的人,後來伽利略(Galileo Galilei)在1609年時改良了漢斯的望遠鏡,製成「折射式望遠鏡」,用來觀測天象,從此開啟了天文學一個新的紀元。

伽利略的「折射式望遠鏡」是使用一面凸透鏡作為主鏡,另外用一面凹透鏡作為目鏡(其他大多數折射式望遠鏡的設計,目鏡多使用凸透鏡),再用一個長鏡筒將兩片透鏡組合起來,觀測者即可在鏡筒後方觀察成像。

至於「折射式望遠鏡」成像的原理,是由主鏡聚集光線,光線經過凸透鏡之後就在鏡筒後半部形成「影像」,目鏡的位置則位在「成像」的後方,其作用像是用一個小的放大鏡,來看所放大的影像。

光線通過折射式望遠鏡的主鏡,聚集在焦點上,而後在焦點之後放入目鏡,即可將物體的影像放大。

折射式望遠鏡成像原理

根據所使用的透鏡種類與功能,折射式望遠鏡有幾種不同的設計,包括:伽利略望遠鏡(Galileo telescope)、開普勒望遠鏡(Keplerian Telescope)、消色差折射鏡(Achromatic Refractors),以及高度消色差折射鏡(Apochromatic Refractors)。目前世界上有許多天文台均使用折射式望遠鏡來觀測天文現象,包括:美國葉凱士天文台(Yerkes Observatory,口徑100公分)、瑞典太陽望遠鏡(Swedish Solar Telescope,口徑98公分)、法國巴黎天文台(Paris Observatory,口徑83公分)等。

美國加州奧克蘭塞波特天文和科學中心的天文台所擁有的20英吋折射式望遠鏡。

奧克蘭塞波特天文和科學中心折射式望遠鏡

反射式望遠鏡(Reflecting Telescope)

由於光線經過不同介質時會產生色散現象(菱鏡效應),因此「折射式望遠鏡」有明顯的「色差問題」。當人們使用「折射式望遠鏡」深受色差問題困擾時,牛頓(Isaac Newton)乃在西元1668年率先使用凹面鏡作為主鏡,改變傳統「折射式望遠鏡」的設計。當時牛頓還加入一個平面鏡來改變光的路徑,讓觀測者可以在望遠鏡鏡筒的側邊觀測,這樣的設計被人們稱為「牛頓反射式望遠鏡」。

「牛頓反射式望遠鏡」的結構,是將一個有一定弧度的凹面鏡放在鏡筒的末端作為主鏡,在接近鏡筒頂端的地方,另有一個平面反射鏡與主鏡呈一定角度,如此即可將主鏡所收集的光線反射到目鏡(凸透鏡)中。其成像的原理:當光線進入鏡筒再由主鏡反射聚焦,接著鏡筒前的平面鏡會將光線反射,以改變光的路徑到鏡筒側邊而成像,觀察者即可透過成像後面的透鏡來觀察放大的影像。

反射式望遠鏡係利用光線照到凹面鏡,再以平面鏡改變光的路徑後,把光線聚集在焦點上,在焦點後方放入目鏡,讓觀測者觀察物體的成像。

反射式望遠鏡成像原理

根據不同的設計原理,「反射式望遠鏡」可分成5種類型,包括:格里望遠鏡(Gregorian Telescope)、牛頓望遠鏡(Newtonian Telescope)、卡賽格林式(Cassegrain Reflector)、離軸設計(Off-axis Design)、以及液體鏡面望遠鏡(Liquid Mirror Telescope)等。

依據牛頓反射式望遠鏡圓形所製作出的複製品。

牛頓反射式望遠鏡原型複製品

折反射式望遠鏡(Catadioptric Telescope)

雖然「反射式望遠鏡」解決了「折射式望遠鏡」的色差問題,但是主鏡的凹面鏡必需是完美的拋物面,才能將光線準確的聚焦,否則會出現成像邊緣模糊的情形,稱之為「球面像差」;所以科學家之後又研發了「折反射式望遠鏡」,結合「折射式」與「反射式」望遠鏡的優點。

「折反射式望遠鏡」也稱「複合式望遠鏡」,它的設計是結合「折射系統」與「反射系統」,在鏡筒入光處放置一個「修正透鏡(Corrector)」,用來修正主鏡的球面像差。

「折反射式望遠鏡」之主鏡通常是球面鏡,固定在鏡筒後方主鏡座上,與鏡筒分離且不相連,主鏡中央有缺口可讓被副鏡反射的光線通過,而在「主鏡」後方形成影像;「折反射式望遠鏡」的「副鏡」也是球面鏡,固定在「修正透鏡」的中央。

至於「折反射式望遠鏡」的成像原理:當光線通過「修正透鏡」進入「鏡筒」,再經過「主鏡」與「副鏡」兩次反射之後,即在主鏡後方聚焦成像;另在「聚焦面」後方放置「目鏡」,用來觀察成像。

由於「折反射式望遠鏡」是經過主鏡及副鏡兩次的反射,以延長焦距的作用,所以鏡筒的設計可以很短。通常鏡筒的長度往往只是口徑的2倍到3倍左右,越小的鏡筒越輕便、容易攜帶,也更容易固定在底座上。

入射光線通過「修正透鏡」進入望遠鏡鏡筒之後,先經過「主鏡」反射到「副鏡」上,再經過「副鏡」反射進入「主鏡」中央的圓孔,即可在主鏡後方聚焦成像。

折反射式望遠鏡成像原理

「折反射式望遠鏡」主要有兩種設計,包括:施密特-卡賽格林式(Schmidt–Cassegrain Telescope)與馬克蘇托夫-卡賽格林式(Maksutov–Cassegrains Telescope)。兩者最大的差異,在於:施密特式的修正透鏡為非球面透鏡,而馬克蘇托夫式則是容易磨製的球面透鏡。

馬克蘇托夫式折反射式望遠鏡的口徑為150公釐。

馬克蘇托夫式折反射式望遠鏡

各種天文望遠鏡優缺點之比較

天文望遠鏡根據其所組成的透鏡、面鏡與設計,各有使用的優、缺點,以下我們列表比較各種天文望遠鏡的優點與缺點。

折射式望遠鏡、反射式望遠鏡、折反射式望遠鏡各有優缺點,建議依自己的需求,選擇最適合的天文望遠鏡。

天文望遠近鏡比較表

由於天文望遠鏡所費不貲,因此採購的時候應該不只是關注望遠鏡的口徑大小,使用者應該在了解各種天文望遠鏡的原理與優缺點之後,再根據自己的需求和經濟能力,並考量維修與使用上的需求,購買最合適的望遠鏡。

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