望遠鏡的優缺點

在天文望遠鏡發明的早期,不論是折射式的還是反射式的,口徑都比較小,結構也比較簡單。望遠鏡從發明以後就經歷瞭不斷改進和創新,從伽利略式到開普勒式;從牛頓式到卡塞格林式;從赤道式到地平式;從手動式電動式,等等。

時間進入20世紀,各種口徑、模式、系列的望遠鏡不斷出現,承擔著觀測和瞭解宇宙的重要任務,同時人類在望遠鏡的光學理論研究和技術制造等方面都達到瞭非常高的水平。天文學研究對望遠鏡的需求也越來越精細,但各種望遠鏡都有自己的優缺點。例如,折射望遠鏡視場大,每次可以觀測較大范圍的天區;反射望遠鏡的清晰度高而視場小,每次隻能看見很小的天區。怎樣才能把這兩者的優點集於一身呢?德國光學傢施密特改進瞭折射望遠鏡的透鏡形狀,制成瞭集折射、反射望遠鏡優點於一身的折反射望遠鏡,為天文望遠鏡的發展做出瞭重大貢獻。

新型望遠鏡的創新研究出生於俄屬愛沙尼亞,工作於德國的施密特隻讀完高中二年級就開始做報務員、攝影師、繪圖員等工作。1901年,在德國學習工程的施密特在一次火藥實驗中炸掉瞭右臂,從此改攻光學,憑著超人的智慧和毅力,很快成為光學專傢。

1926年,施密特來到歐洲最著名的天文臺之一——漢堡天文臺工作。漢堡天文臺當時擁有口徑60厘米的折射望遠鏡、口徑1米的反射望遠鏡等一大批先進儀器,正在進行一項工作量浩大的全天恒星總表編制工作,需要視場更大、效率更高的望遠鏡,以便短期內獲取更多的巡天觀測數據。施密特在這裡接受瞭一項革命性的研究項目,即制造一種全新的、性能超過折射和反射望遠鏡的新型望遠鏡。

他在天文臺的地下室裡建立瞭簡單的工作室,幾年時間全身心地投入到研究新型望遠鏡的工作中。經過一次次的計算、推敲和反復試驗,施密特終於在1930年交出一份令天文學傢們十分滿意的結果:一架主鏡口徑為48厘米、改正鏡口徑為36厘米、主鏡口徑與焦距之比為2:1的折反射式望遠鏡,創造瞭天文學傢多年以來夢寐以求的奇跡。

施密特設計的這種折反射式望遠鏡的光路非常巧妙,它用一塊球面反射鏡作為主鏡,放在鏡筒的後端,用一塊波浪形的折射透鏡放在主鏡前適當的位置,作為改正鏡。改正鏡與主鏡的口徑比例大約為2:3。望遠鏡的焦點不是聚焦在一個平面上,而是聚焦在一個曲面上。這個光學結構的設計,完美地把折射改正鏡的光線與反射主鏡的光線結合為一個整體,成像在焦面上。

在那個沒有機器幫助,沒有計算機輔助計算的年代,僅憑他的大腦和一隻左手,不僅要計算和試驗光路的走向,還要磨出透鏡的精確波浪形狀,需要非常強大的毅力去克服常人想象不到的困難!為瞭緬懷施密特的天才創造和卓越貢獻,後人將施密特設計的這種折反射式天文望遠鏡統稱為施密特望遠鏡。

改進型折反射望遠鏡施密特望遠鏡取得瞭極大的成功,但是它的改正透鏡的制作過程難度極大。20世紀40年代,蘇聯的光學專傢馬克蘇托夫針對這一情況對施密特望遠鏡作瞭一些改進。他將施密特望遠鏡中極難制作的波浪形改正透鏡改為彎月形。彎月形改正透鏡的兩個面都是最容易磨制的球面,後面的主鏡不變,還是球面。這樣,制作過程就比施密特望遠鏡容易多瞭。它的特點是同樣的口徑和焦距,比施密特望遠鏡更加小巧玲瓏,使用起來也更輕便。

但是,與施密特望遠鏡相比,它的視場要小一些,而且因為彎月形透鏡不能做得太大,所以這種望遠鏡僅適合於比較小的口徑。例如許多天文愛好者使用的折反射望遠鏡多為馬克蘇托夫型,而專業天文臺使用的折反射望遠鏡多為施密特型。

施密特望遠鏡可作不同的改變以適合某些特定的工作,如增加平場透鏡把焦面改成平面;增加一個凸面副鏡把焦點引到主鏡的背面或附近,形成卡塞格林系統。1951年,美國光學傢貝克對這種系統進行瞭研究,經他改進的具有超大視場的望遠鏡,稱為貝克-施密特望遠鏡,非常適用於觀察流星、慧星及人造衛星等工作。

折反射式望遠鏡兼顧瞭折射和反射兩種望遠鏡的優點,非常適合天文觀測和天文攝影,在世界各地的天文臺得到瞭普遍使用。國傢天文臺興隆基地也有一臺60/90厘米的施密特望遠鏡(改正鏡口徑60厘米,主鏡口徑90厘米),在大視場、高精度、低分辨率、大樣本天體巡天工作中一直發揮著非常重要的作用。