邹城一中 天文爱好者系列之 星空观测7 自制天文望远镜

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邹城一中 天文爱好者 系列 之 星空观测 第 7 步：自制天文望远镜

自制天文望远镜

第一章 望远镜基本原理

1.1 天文望远镜光学原理

望远镜由物镜和目镜组成，接近景物的凸形透镜或凹形反射镜叫做物镜，叫做目镜。远景物的光源视作平行光，根据光学原埋，会聚焦在一点上，这就是焦点。焦点与物镜距离就是焦距。

折射镜是由一组透镜组成，反射式则包括一块镀了反光金属面的凹形球面镜和把光源作 90 度反射的平面镜。两者的吸光率大致相同。折射和反射镜各有优点，现分别讨论。

O=物镜E=目镜fo=fe= D=物镜口径 d =斜镜

1.2 折射和反射望远镜的选择 折射望远镜的优点 1.影像稳定

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折射式望远镜镜筒密封，避免了空气对流现象。 2.彗像差矫正

利用不同的透镜组合来矫正彗像差(Coma)。 3.保 养

主镜密封，不会被污浊空气侵蚀，基本上不用保养。 折射望远镜的缺点 1.色 差

不同波长光波成像在焦点附近，一块不同折射率的透镜，但矫正大口径镜就不容易。

2.镜 筒 长约主镜口径的十五倍，以六吋口径而且用起来又不方便，业余制镜者要造一座这样长而稳定度高的脚架

3.价 钱 贵

光线要穿过透镜关系，所以要采用清晰度高，质地优良的玻璃，这样价钱就贵许多。全部完成后的价钱也比同一口径的反射镜贵数倍至十数倍。

反射望远镜的优点

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1.消 色 差

任何可见光均聚焦于一点。 2.镜 筒 短

通常镜筒长度只有主镜直径八倍，所以比折射镜筒约短两倍。短的镜筒操作力便，又容易制造稳定性高的脚架。

3.价钱便宜

光线只在主镜表面反射，制镜者可以购买较经济的普通玻璃去制造反射镜的主要部份。

反射望远镜缺点 1.遮 光

对角镜放置在主镜前，把部份入射光线遮掉，支架又产生绕射，率。

2.影像不稳定

开放式的镜筒往往产生对流现象，很难完满地解决问

3.主镜变形

4.保养

镀上主镜表面的铝或银，受空气污染影响，要半年再镀一次。不过一块良好的真空电镀镜面可维持数年之久。

折射望远镜由二块透镜组成，总共要磨四边光学面，反射望远镜只需要磨一边光学面，所以制造反射式望远镜花费较少时间。技术精良的话，一副自制的六吋口径反射望远镜质素随时超过市面出售的三吋折射望远镜。

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至于选择何种类形的望远镜则视乎个别天文爱好者的需要和喜爱而定。通常一枝四吋以下的折射望远镜已足够作普通观测研究的用途。若果兴趣是观察行星或双星，便应该设计八吋口径而放大倍数高的反射望远镜，因为如此大口径的折射镜十分难制造，价钱非常昂贵，而且又非常笨重。

从经济和难度考虑，初学者最适宜自制反射式望远镜。 1.3 反射望远镜的设计

反射望远镜有数种设计，现在只谈谈结构简单的牛顿式。

90度角的反射至望远镜筒的边缘，再由一块凸透镜将形像放大，不过球面镜中心和旁边的反射角不同，球面差；但 抛物面 式望远镜主镜乃抛物线面。

放 大 倍 数

放大倍率愈高；目镜焦距愈短，放大倍率愈高。入射瞳孔通常即望远镜物镜直径。

放大倍数愈低，放大率高则可用来看行星表面的微细结构，但亮度很弱。每枝望远镜的最高有效放大倍数是物镜直径的50倍。例如六吋口径望远镜便可放大到但望远镜放大倍数则不是固定的，它可以通但目镜制造困难，多数购自光学商店，业余制镜

1 吋 = 25.4 毫米 (mm)

焦比(Focal Ratio)

望远镜放大倍数不能无限制的增加，即目镜不能太短；最短约四毫米，主镜焦距亦不能太长，究竟焦距长度如何决定呢？通常焦距和物镜直径的比例不能超过一个数值，它们的比值称为焦比，焦比是用来表示望远镜的特性的指针，焦比即照相机上的光圈，焦比值多数定于2.5 和 1 1 之间。例如六吋望远镜焦距最长可达 66 吋，最短是 15 吋。

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焦比的限制是和望远镜的曲率有关，焦比大，球面和抛物面值相差不远，主镜磨成球面便行。但焦比太大，镜筒便会很长，搬运不方便，脚架制作也不容易。焦比短，球面主镜便不能把平行光聚于一点，形成球面差，那时要将球面修改成抛物面就颇费功夫。

另一方面，照相曝光时间和焦比的平方成正比，所以焦比值越小曝光时间越短，拍摄暗星体时便很有用，故多用作观测或拍摄星云、星团。焦比大，焦距长度增加，放大倍率高，故此多用作观测行星。

集光本领(Light Gathering Power)

望远镜口径愈大，集光力愈强，可以看见星星的数目亦增加，睛强多少倍的意思。人的瞳孔，日间

望远镜比肉眼大上许多倍，以一枝150 西明亮 495

远镜。一定要磨成抛物面，初学者未掌握好磨镜技否则在调校光轴，而机械制作所花的时间可能远比磨镜还多，这样可令至初学者兴趣慢慢减低。而搬运如此重的装备往郊外观测也很成问题。经历数次辛劳 。

分 辨 本 领 (ResolvingPower)

望远镜质地取决于它的分辨本领，它就是分分辨力高，星像清晰的六吋镜会远比只得集光力强的大口天文观察要求光学质素最高，若大口径镜只看见模糊的星像，用处就不!

英国业余天文学家杜氏(Dawes)根据观测双星的经验，计算出望远镜口径的最高分辨能力，这就是著名的杜氏极限(Dawes' Limit)。

六吋口径望远镜，分辨本领最高是0.76 弧秒，虽然因星空观察受大气流动影响，而会使分辨本领降至一弧秒，但已经比肉眼只可分辨两颗距离一弧分以上双星的能力要大上六十倍。

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以天文爱好者的需要和能力来决定，初学者最适宜自制一枝六吋口径，48 吋焦距，焦比是八的牛顿式望远镜，因为主镜只需要磨成一个球面，镜筒短，脚架制造比较容易。若喜欢轻巧和方便携带的可造一枝120 毫米口径，720 毫米焦距，即 f/6 的望远镜。

第二章 磨镜材料与工具 2.1 应用材料 a. 厚玻璃两块

主镜和工具板厚玻璃板两块。标准主镜厚度大约是直径的六分一，工具板比较薄，约八分一。但为了经济原因和容易购买，主镜厚度会减低至直径之八分一。以六吋主镜来说，我只用 3/4 吋厚的玻璃，而工具板则用半吋厚便算了。厚身玻璃可以防止主镜镜面因温度改

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变而影响曲率半径。主镜最好选用优质而膨胀系数少的派勒斯(Pyrex) 玻璃，膨胀系数就是物质因温度改变而影响其长度的数值。系数愈小，温度变化对玻璃影响则愈细。派勒斯玻璃另一优点就是已经过热软化而令其内部应力减少，避免了玻璃因温度改变而变形。派勒斯玻璃要向外国订购，价钱昂贵，普通天文爱好者多采购自拆旧船窗门的玻璃，虽然膨胀系数大一些，但郄已受热软化处理。最方便的就是往玻璃店购买，普通未经热软化处理的蓝色玻璃。

一块 8 吋直径六分厚的普通蓝玻璃约港币 100元 ( 2000年 )。 b. 磨砂

磨砂主要有两种，黑色的碳化硅(Silicon Carbide)和白色的氧化铝。碳化硅即常用的金钢砂(Carborundum)一吋可排列金钢砂粒之数目，例如 80 号即一吋内可并排 80 的已成粉末状，要利用其浮在水中时间长短的方法分辨。、120、220、320、600 和 1200

c. 抛光粉

。磨砂和抛光( 一磅 = 16安士或454克 ) d. 沥青

e. 松节油

(1982年)。

2.2 工具a. 工作台

工作台是用来固定玻璃，要找一张结实而高度适合磨镜者的台或高椅子，或用万能角铁自制，工作台下半部还要加上重物避免大力工作时产生震荡而摇摆不定。

b. 面盆一只。 c. 磨刀石。 f. 放大镜

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普通短焦距的小型放大镜，或望远镜目镜，例如篮斯登 (Ramsden) 和凯尔纳式 (Kellner) 才合用。

2.3 测焦距工具

佛科试镜器结构很简单，包括一个灯箱和一个可以作两个方向移动的刀片座。灯箱由一颗电灯泡供应光源，光线从灯箱中间小孔透射出来。刀片架附设有一块刀片，该架设计至可前后移动，并且可以微调至1/100 吋。再说回来，光源箱的孔宽 1/250 吋，可利用针刺孔于簿铝纸上，随后用胶纸贴在已开了1/8 吋孔的灯箱前。除点光源外，还有裂隙光源，亮度比较强。制造裂隙方法是用两片刀片并列于灯箱孔前，孔的直径阔 3/8 吋，裂隙相距 1/50

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简单的灯箱电源，由两颗1.5V干电池，再加上按钮式开关掣。

简单佛科试镜器

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第三章 磨镜基本方法

3.1 磨镜手法

弦线手法 (Chordal Stroke)

方法: 用途:

优点: 磨去的位置会产生一个又小又深的洞，主镜会产生双曲面现象，主镜和所以在粗磨成形后阶段必需逐步把弦线移向工具板中心，主镜的洞才渐渐扩

正心手法 (Diametral Stroke)

方法: 主镜中心在工具板直径上成直线运动。 用途: 粗磨或幼磨时用。

优点: 较平均地磨去表面的玻璃，磨制出比较可靠的球面形镜。最适合初学者，因为正心手法是最安全的磨镜方法，并不会造成严重的错误。延长或缩短主镜运动的距离，可分别达至加深或减少弯曲率的功效。

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缺点: 长时间采用正心磨法，镜面会产生环形区(Zones)现象。磨去玻璃的速度比弦线手法慢很多。

3.2 磨 程

磨程就是主镜中心在工具板上移动的总距离和主镜直径之比。

磨程

=

主镜中心移动距离

-------------------------

主镜直径

a. 全磨

主镜走的距离是主镜的直径。

=L / D

用途: 粗磨时用。能把主镜迅速磨成所需的曲率。 b. 半磨

主镜走的距离是主镜的半径。

用途: 幼磨时用。L / D =1/2 c. 1/3 磨

主镜走的距离是主镜直径的三分之一。 L / D = 1/ 3 用途:

1/3 磨程： 磨( L )

程

=1/3 x 6 吋 =2 吋

这样磨镜时，主镜便是向前推

动一吋，跟再向后推动一吋。

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离心手法 (W Stroke)

方法: 主镜中心不常常经过工具版中心，而以W字形移动。 用途: 幼磨和抛光时用。

优点: 比正心手法更快的磨镜方法，磨出更良好而没有散光的球面。W部份的频率便可改变镜面曲率。

圓形手法 (Elliptical Stroke) 方法: 主鏡以圓形或蛋形軌跡移動。 用途: 抛光矫正时用。

优点: 磨去不规则的玻璃面，环形区等。

缺点: 则容易产生不规则形镜面，初学者最好不采用。

六吋镜 1/3 磨程

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正心

磨程和镜面弯度关系: 短磨程:

离心

以正常磨法，主镜在上，但镜面曲率变更郄很少。 长磨程:

3.3 基本磨镜动作

基本磨镜动作三步骤 磨镜运动周期

主镜转动八次(45度)，磨镜者行走六次(60度)

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● 磨镜移动方向

主镜和磨镜者转动方向是相反的，磨镜者朝顺时针方向绕行一定角度。两者移动的角度是不相同的。通常主镜转动六次(60度)，磨镜者行走八次(45度) 24 次才会重新和原来起点会合。经过

工作台绘上等距线

等距线可绘在工作台上，分别代表主镜和一旦工作展开，每人便有自己的工作习惯，磨镜形磨程略有长短，角度稍有大细，主镜和工具板相隔

3.4 玻璃曲面是怎样形成的

为什么两块玻璃互相摩擦一段时间后，便变成一块凹一块凸的呢？这是基于两个因素，压力和接触时间。

a. 压力

在磨制时，主镜放在上面，工具板放在下面， 中间放置金钢砂。这样金钢砂又硬又尖锐的角就可以磨去接触面的玻璃。在每一个磨程的尽头，金钢砂的磨蚀力便增加，因为在上面的主镜

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部份离开工具板边成悬空状态，主镜中央部份和工具板边旁的压力便相应增加。所以经过一段时间，主镜中心玻璃和工具板边玻璃磨蚀较快，上面的主镜便形成凹面形，下面的工具板则成凸面形。

b. 接触时间

其次就是主镜中央部份 ( C ) 向前移动时， C和B经常接触工具板 向后移动时，C和A经常接触工具板

3.5 磨镜前的准备工作

a. 磨边

未正式动工前，先用磨刀石把 1/8 吋

b. 固定工具板

利用三角形木栓把工具板固定在工作上。固定玻璃的三块小木各相距 120 度，木块要比玻璃块矮。

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e. 磨量

未开始动手磨镜时先计算好每一号砂应该要磨至的焦距，列表后，这样在磨制过程中可省郄很多时间，养成一种好习惯，就是每逢做一件事都有计划。焦距和镜面深度(Sagitta)可由下列公式求得。

镜面深度

预计磨量表

磨量表A ( 6吋主镜, 48吋焦距 )

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4.1 磨制凹面

粗磨分两个工作程序:

1. 主镜磨至预计深度 ( 成形 ) ; 2. 主镜磨成球面 ( 均匀 )。

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粗磨目的就是尽可能以最快的力法把不要的玻璃磨掉，要把平面玻璃很快磨成凹形，首先要掌握磨蚀镜面几个因素:

1. 压力要大。 2. 磨程要长。 3. 推动频率要快。 4. 换砂频率要密。 5. 磨镜手法。

跟前后推动主镜，前后来回作一次计，频率每分钟60次，每十次左右，磨镜者和主镜便要作相反方向转动一次。

开始时，会听见金钢砂和玻璃互相摩擦而发出刺耳声音，约那些声音便渐渐沉静下来，这时便要更换一批新的砂了。便很容易的使两者分离，将主镜和工具板旧而又磨成很碎的砂粒洗理掉，大量碎砂便要用水洗清了。旧的砂会减弱新砂的磨蚀力，所以。清洁完后，工具板放回原处，用木栓重新固定，再重复加新砂。最好先把工具板抹干才落金钢砂。工具板太干，金钢砂分布便不均匀，否适中。

粗磨开始时，多数的砂会被推至工具板边而浪费掉，不过一旦中央有凹陷，大部份的砂粒就会保存而令到磨玻璃速度增快起来。通常经过约半小时的辛勤工作，主镜就呈现浅浅的凹形，

4.3 磨制球面

磨程便要缩短至半磨或三分一磨，直至主镜和工具板吻合为止。主镜是否磨成球面，可量度两块玻璃是否吻合。

现介绍两种测试镜面吻合度的方法︰ a. 气泡方法

吻合度可观察在两者之间加水后的气泡 而鉴定。若果镜面弯度太深，主镜中间 和工具板可见一大个的气泡停留在中心 位置。

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之

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如果没有气泡，或气泡大小一致，而 经几次磨动后能均匀地散布在工具板面 ，这两块玻璃便算是吻合。因为只有平 面和球面才容许气泡在两者之自由移动 ，所以主镜应该是一个球面。用这方法 试镜时，玻璃面不能加多水，稀薄的一 层已足够，否则很难分辨实际的均匀气 泡形状。

4.2 测度镜面弯度的方法

主镜弯曲面只是圆球的一部份，圆球半径愈大主镜弯度愈小，圆球半径愈小主镜面弯度愈深。圆球半径距离 MO 在光学上叫曲率半径 (Radius of Curvature) R，若果在球面中心放置一点光源，光线将会被弦线形镜面 (Arc ) MN 反射回曲率中心 (Centre

of Curvature) O 位置，即球面的圆心。 行光线，光线便聚于镜前一点， ，其距离是曲率半径的一半，这就是焦距。

把平面至弧面 MANB的玻璃磨掉，弯曲面的中心深度 AB 称 镜面深度公式 ( S )中已清

粗磨正式开始，先落半茶匙80号金钢砂，加几滴水在工具板上，再用手指拨均匀，金钢砂不能加太多，否则会在开始数次磨动便把金钢砂带去工具板边浪费掉。随后慢慢地把主镜放在工具板上作圆圈形转动数周，作用是把金钢砂平均带动至工具板表面。

跟看双手放在主镜上，用正心磨法，磨程用全磨，距离是镜的直径，六吋直径计算，便是推动主镜离工具板前三吋后三吋。施加15 至40磅的压力。压力大小以镜面不至于在工具板上滑走为准。粗磨时，太过长的磨程和太大的压力很容易把边缘玻璃磨崩而割花主镜，切忌心急。但压力也不能太小，否则要花费较长时间才完成。

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磨镜者和工作台

工作台要比磨镜者的腰部矮，磨镜者倾斜一定角度，磨镜时便可借助上身的重量以增加压力。而且手臂和上肢是一齐前后移动的。

弯度不足够，样片两边透光，应继续用长磨程；

以工具板用三分一磨程继续粗磨，原理可参考 3.4 。

正心磨法用较长的时间才磨至预计弯度，时候，粗磨阶段可采用效率较高之三分一弦线磨法，所经过轨迹是二吋。

磨平边

现象，主镜边缘可能会完全未磨到，至1/16吋的平常的，在幼磨时便会逐渐磨到。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/9bhj.html