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折反射望遠鏡

科技名詞定義

中文名稱:折反射望遠鏡

英文名稱:catadioptric telescope

定義:物鏡由反射和透射元件相組合的光學望遠鏡。應用學科: 天文學(一級學科);天文儀器(二級學科)

以上內容由全國科學技術名詞審定委員會審定公佈

折反射望遠鏡是將折射系統與反射系統相結合的一種光學系統,它的物鏡既包含透鏡又包含反射鏡,天體的光線要同時受到折射和反射。這種系統的特點是便於校正軸外像差。以球面鏡為基礎,加入適當的折射元件,用以校正球差,得以取得良好的光學質量。應用最廣泛的有施密特望遠鏡(美國Meade 12"LX200SC),施密特-卡塞格林系統(南京天儀中心的KP300S),馬克蘇托夫與馬克蘇托夫-卡塞格林望遠鏡(南京禦夫天文科教儀器廠生產的Φ160mm等系列)四種類型。

簡介

折反射望遠鏡最早出現於1814年。 1931年,德國光學家施密特用一塊別具一格的接近於平行板的非球面薄透鏡作為改正鏡,與球面反射鏡配合,製成了可以消除球差和軸外像差的施密特式折反射望遠鏡,這種望遠鏡光力強、視場大、像差小,適合於拍攝大面積的天區照片,尤其是對暗弱星雲的拍照效果非常突出。施密特望遠鏡已經成了天文觀測的重要工具。

1940年馬克蘇托夫用一個彎月形狀透鏡作為改正透鏡,製造出另一種類型的折反射望遠鏡,它的兩個表面是兩個曲率不同的球面,相差不大,但曲率和厚度都很大。它的所有表面均為球面,比施密特式望遠鏡的改正板容易磨製,鏡筒也比較短,但視場比施密特式望遠鏡小,對玻璃的要求也高一些。

這種望遠鏡的特點是:光力強和可見天空區域大。因而可以看到很暗的天體,特別適合於對流星,彗星,星雲的觀測和大範圍的巡天照相。經常使用的折反射望遠鏡有:施密特望遠鏡,馬克蘇托夫望遠鏡。

由於折反射望遠鏡能兼顧折射和反射兩種望遠鏡的優點,非常適合業餘的天文觀測和天文攝影,並且得到了廣大天文愛好者的喜愛。

構造原理

一、折反射望遠鏡與遮光系統。

外鏡筒可提供望遠鏡組適當的遮蔽,隔絕光線直接照射主反射鏡與次反射鏡,使得雜散光的來源主要限制於來自小角度的光源直射與散射雜光,因為光學系統仍然存在著設計視角值之外光源直射的問題。如前所述,這些視角外的光線並未受到主、次反射鏡之作用,便直接由主反射鏡中央缺孔穿插而過,而直接抵達焦平面。此時消除光源直射效應最有效的方法便是增加擋光板,直接阻擋這些直射的光線,在此擋光舵板可充分發揮其抑制雜散光的功能,特別是對於光源在較大離軸角度所產生的散射雜光,在增加擋光舵板後可降低一到三個級數的雜散光能量。

二、特徵光束之光束覓跡圖。

擋光板的尺寸與位置除了要考慮其抑制雜散光的效能外,也要考慮其係統成像品質的影響,過多的遮蔽會使得系統入光量降低而減低成像對比度,若係統視角受到阻隔則會有成像平面能量分佈不均勻的情況。一般而言,主反射鏡中央缺孔延伸而出的稱之為主擋光板、環繞於次反射鏡周邊的則稱為次擋光板。值得注意的是設計時主擋光板不可阻擋到由主反射鏡反射至次反射鏡的光線,或者是由次反射鏡反射的成像光線;而次擋光板是不可阻擋到主反射鏡反射至次反射鏡的光線,並且要能確定其中央遮蔽率足夠大,以避免次擋光板之邊緣在焦平面成像。

擋光板的位置、形狀尺寸、開口大小關係到光學設計及感測器,在做法上可以先行利用軸上入射光束的初階計算出擋光板需要的預留長度,並當成初始設計值。接著再根據​​光學系統的視角與感測器規格,配合特徵光線的光束追踪,如主反射鏡最邊緣所入射的光線與恰好通過次擋光板邊緣的入射光線來檢視次擋光板與主擋光板的輪廓,,並估計組裝與製作公差以決定正確尺寸。

折反射望遠鏡基本結構

三、增加擋光板前後系統PST 的比較。

決定擋光板之後即可利用PST (point source transmittance) 來評估擋光板的效能。 PST 是一般最常被使用來評估光機系統雜散光特性的方法。

簡單來說,是討論光源在進入系統時之能量以及最後落於焦平面上之能量比例,這可以將整個光機系統的雜散光資訊彙整成一個單一的數據,以利系統間的相互比較。

藉由PST 曲線可以清楚的比較裝置擋光板前後的雜散光比例差異,與內部擋光板阻擋直射光源的功用。紅色曲線為未增加主次擋光板時所獲得的雜散光比例,很明顯的在原本會有光源直射現象的角度區間內,雜散光​​的比例可獲得有效的抑制,以10度入射時的峰值為例,PST 由原先的1.8% 被抑制至5.19 × 10−3%。

因此主次擋光板可如預期的阻擋直射光源進入望遠鏡組之後端組件。另外,值得注意的是在4°–5° 區間內,PST 值卻不如預期,不降反升。清各個雜散光路徑後,發現此時主擋光板反而是誘發雜散光的關鍵機構,這表示在製造檔光板以及結構表面黑化處理時必須更加註重其表面之散射特性(BSDF),以防止光線經由主擋光板被反射至焦平面。

外鏡筒與主次鏡擋光板是最典型的望遠鏡系統遮光系統,提供了增加遮光系統前後的比較,希望能給光學或是光機設計者一個參考,以了解遮光系統的重要性。

主要功能

一、必須能排除光源直射效應,防止望遠鏡組中的主反射鏡、次反射鏡與後端的修正鏡組受到視角外光源,如日光的直接照射。

二、阻隔視角外或是未遵循設計光路徑,直接由主反射鏡中央缺孔穿插而過的光線。

三、減少系統內的散射雜光(scatter stray light),或是主反射鏡與次反射鏡之間的二次反射(double pass) 光線焦平面成像。

四、規範望遠鏡組的可視範圍。依據上述條件,遮光系統可分類為外鏡筒(sun-shield)、位於主反射鏡中央缺孔的主擋光板(primary baffle)、環繞於次反射鏡周邊的次擋光板(secondary baffle),另有位於各遮光元件與機構上防止結構表面散射雜光的次結構,稱之為擋光舵板。


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