光学望远系统

    可以说，光学领域始于人类对自己之外的恒星和世界的好奇。望远镜建造是光学最古老的用途之一，已经是一项实践了几个世纪的工艺。在过去的一个世纪里，望远镜建造爱好者的普及率有所上升，光学元件越来越容易向公众提供。建造望远镜可能相当简单，许多爱好者已经成功地做到了这一点，但投身于这一爱好可能有点令人生畏。望远镜是以角度放大的原理为基础的。这些系统通过将物体的角度场转换成对观察者来说更大的角度场的能力，使观察者能够从远处看到物体。这个概念围绕着将具有特定光焦度的元件匹配在一起以改变这个角场的想法。尽管这看起来会涉及一些复杂性，但实际上相当简单，这使得建造望远镜本身就相当简单。

望远镜基础知识

    在开始建造望远镜之前，有几个因素需要考虑。与所有事物一样，建造望远镜需要权衡，包括便携性、预算和性能。便携性很重要，因为普通爱好者可能会去寻找观星的最佳景点。预算显然对望远镜元件的质量起着一定作用。性能可能是相对的，因为不同的望远镜在不同的场景中表现不一样。因此，在投身于这一爱好之前，了解并限制所有这些考虑因素是很重要的。

    在打下基础之后，更深入地了解望远镜背后的基本概念是很重要的。如果不理解这些概念，要缩小建造哪种类型的望远镜以及相关参数的范围，就会困难得多。将引入几种类型的望远镜，以帮助初学者做出更有教育意义的决定。下面将显示具体的元件列表，以帮助指导爱好者为他们的理想望远镜选择正确的组件。

    焦距和放大倍率在望远镜的制作和最佳使用中起着关键作用，因此在深入制作望远镜之前必须了解焦距和放大倍数。尽管这些都是至关重要的，但也有其他重要方面不常被谈论，但必须加以审查。

基本概念

    最靠近被观察物体的透镜称为物镜;这个镜头与目镜一起工作，形成一个图像。焦距有助于确定系统的放大倍率，或放大倍率的倒数和f/数。在物镜上使用焦距较长的同一目镜可以获得更大的放大率。要计算望远镜的放大率，只需将物镜的焦距除以目镜的焦距。

Magnifying Power(MP)=1/Magnification[m]

MP=-Focal Length(objective lens)/Focal Length(Image Lens)

图2：由两个透镜组成的简单望远镜系统的放大倍率图

    放大能力很重要，因为它可以让感兴趣的物体看起来比实际情况更大。角放大会增加观看者在图像空间中看到的入射光的角度，使图像看起来更大。知道了这一点，可以很容易地将焦距较长的物镜添加到系统中，以达到更高的放大倍数。然而，这正是便携性考虑变得重要的地方。在大多数情况下，焦距较长的望远镜往往会变得更长，以使光线聚焦。因此，更长的焦距意味着更长的望远镜，这通常会导致系统的便携性较差。这种系统的延伸发生在大多数长焦距望远镜中，尽管有些望远镜被巧妙地设计成通过将光路折叠在自己身上来避免这种情况。然而，这会导致系统中的其他复杂性，在观察特定望远镜类型时会涉及这些复杂性。

    在望远镜制造界，一句常见的名言是“孔径为王”。这是因为更大的孔径可以从被观测的物体收集更多的光；这会产生更明亮的图像，从而更容易观看对象。这里还有其他原因，比如分辨率。考虑到大多数望远镜都有衍射限制，更大的孔径意味着更高的对比度和更高的分辨率。这导致望远镜的孔径被认为是望远镜质量的衡量标准。然而，人们应该小心，因为大口径望远镜与长焦距望远镜一样存在便携性问题。因此，与焦距一样，必须仔细考虑孔径大小。

其他注意事项

    虽然焦距、放大率和孔径是望远镜的关键基本概念，但在开始仰望天空之前，还有其他概念需要理解。要想充分体验夜空，必须考虑几个参数，如分辨率、天文观测和出射瞳孔径。

分辨率

    典型的光学系统通常通过其分辨率进行评估。虽然这可能与业余爱好者无关，他们更关心望远镜的成本、尺寸、孔径/焦距比和类型，但它仍然在天文学中发挥着作用，作为一个概念来理解它很重要。分辨率与光学性能直接相关，并决定了系统所看到的细节的大小。理解这一点的一个简单方法是想象两颗恒星或点源紧挨着。随着恒星之间的距离越来越近，光学系统清晰识别它们的能力与系统的分辨率直接相关，也取决于系统的分辨率。下图有助于将这一概念形象化。

图3：当两个点源的图像比其最小可分辨细节或瑞利准则更接近时，它们混合在一起，变得不可分辨

    在上述图像中，两个点和相应的峰值是两个点源的代表图像。对于上面的假想光学系统，如果这些点比瑞利准则或最小可分辨细节更接近，并且因此具有更高的频率或每毫米线对，那么这两个点将是不可分辨的。因此，我们可以看出分辨率的重要性。恒星或来自天体的任何光点都无法以低分辨率相互解读。考虑到望远镜的目的是提供清晰的天体图像，这导致观星时的体验不那么愉快。

天文观测

    天文观测是一个描述大气条件和非均匀性的概念。考虑到光必须穿过大气层才能到达任何地球望远镜的目标，大气层的厚度和均匀性严重影响了望远镜的分辨率要理解天文观测的概念，最简单的方法之一就是想象被称为等平面斑块的小而均匀的大气区域。这些光斑是瞬间的，大约1/10秒，因为风把它们吹过视场，这会导致光学系统性能下降，因为光穿过的介质是不断变化的。这就是便携性成为制造望远镜的关键因素的主要原因。有些地理区域由于其环境和地理特征而具有相当好的天文观测能力。因此，能够把你的望远镜带到一个视野更好的地方是非常重要的。随着目标的扩大，天文观测变得更加重要，这再次严重影响了性能和便携性的需求。拥有一台便携式望远镜可以带到视野更好的地方，比在视野会严重阻碍性能的地方拥有一台大型物镜望远镜要容易得多。下图显示，图像质量取决于物镜直径D，相对于等平面斑块的大小，r0是每个斑块的半径，影响它们在光学系统的视场中出现的时间。

视场

    下一个重要的考虑因素是视野。没有一台望远镜能在整个观星爱好中表现出色。视场角很重要，因为不同的光学系统将能够观察不同大小的物体。例如，专门观察双星系统或行星的系统可能具有非常窄的高倍率视野，但设计用于观察星云的系统将具有更大的视野，并且可能具有更低的倍率。幸运的是，使用不同的目镜可以改变视野和放大倍数。事实上，观星爱好者通常会有几个焦距不同的目镜，这样他们就可以改变系统的放大倍数和视野。目镜也会影响望远镜的出射孔径，这在向观测者显示足够的图像方面起着同样重要的作用。下表显示了f/数、放大率、出射瞳孔直径和物镜直径之间的不同关系。

表1：望远镜构建的重要注意事项/规范。

    在表1中，示出了不同目镜焦距及其针对特定瞳孔直径的不同f/数。目镜焦距可以使用以下公式计算：

FLeye=Dpupil*f/#

式中FLeye为目镜焦距，d瞳孔为出瞳直径，f/#为f数。

表1的第二部分显示了物镜直径(Dobj)，瞳孔大小和放大率之间的关系。表中Dobj为望远镜物镜直径，MP为放大倍率，d瞳孔为望远镜物镜直径的部分应用如下式:

MP=Dobj/Dpupil

    在选择正确的望远镜规格时，这些信息尤其重要，因为特定的出射光瞳直径和放大率更适合观察某些物体。一般来说，直径4-5mm的出射光瞳适用于昏暗的物体，直径2-2.5mm适用于一般用途，直径0.5-1mm适用于高倍率下更容易看到的物体，如行星。如表1所示，具有正确的出射光瞳直径显示了给定特定物镜直径的不同放大率。

望远镜的类型

    研究了建造望远镜的重要考虑因素后，就可以确定要建造的望远镜的类型。望远镜主要有两类：反射望远镜和折射望远镜。

折射望远镜

    折射望远镜是最早被发明的。当时，镜片很容易买到，只需将两个不同光焦度的镜片放在一起就可以制成折射望远镜。随着时间的推移，设计有所发展，但概念保持不变。物镜是望远镜中的第一个透镜，并且往往具有大直径和大焦距。使用大物镜是因为它们的聚光能力，并且大焦距允许更大的放大率。对于这些元件，关键是要使用精度很低甚至不会产生像差的透镜，尤其是在色差方面。物镜之后是目镜，用于实现所有望远镜中都有的无焦系统。如上所述，不同的目镜用于观察不同的天体。下面是折射望远镜的总体设置图。

    折射望远镜有两类：开普勒望远镜和伽利略望远镜。开普勒望远镜由正焦距的透镜组成，透镜之间的距离为其焦距之和（图5）。

图5：由两个正透镜制成的折射开普勒望远镜

    伽利略望远镜由一个正透镜和一个负透镜组成，它们之间的距离为焦距之和（图6）。然而，由于其中一个透镜是负的，两个透镜之间的分离距离比开普勒设计中的要短得多。虽然使用两个镜头的有效焦距将提供一个很好的近似的总长度，使用后焦距将提供最准确的长度。

图6：折射伽利略望远镜由一个负透镜和一个正透镜组成

折射望远镜固有的一些优点是：

1、封闭式外壳保护系统免受环境/温度变化的影响。

2、折射元件往往具有每英寸孔径较高的分辨能力。

3、它们更易于构建和对齐。

4、在它们的设计中不存在固有的光路遮挡。

5、需要进行最小程度的对准。

6、更长的焦距比（焦距除以孔径大小，也称为f/数）往往允许使用更简单、焦距更长的目镜。

折射望远镜有一些固有的缺点：

1、大的消色差折射元件/物镜非常昂贵。一旦通过了5英寸直径的门槛，价格就会变得非常高，并继续以更高的速度超过这个门槛。

2、由于所涉及的焦距很高，而且无法将光路折叠，这些望远镜的性质往往很长。

3、折射元件会受到色差的影响。

反射式望远镜

    如前所述，反射望远镜主要由一个大的主镜和一个较小的次镜组成。然后以与折射望远镜类似的方式添加目镜以用于眼睛观察。以下列表仅包含光学元件。没有提供安装选项，因为安装反射望远镜的反射镜会增加很多复杂性。通过设计，反射镜将光路折叠回。次反射镜被用来绕过这一点，并被放置在折叠的光路中。这使得观测者能够从望远镜的侧面看到图像，而不会因为站在望远镜前面而遮挡整个图像。如下图所示。这种装置也被称为牛顿望远镜。

图7：牛顿反射望远镜示意图

    无论这种次镜放置多么方便，它仍然会产生问题，因为次镜及其支架会遮挡物镜的中心部分。因此，次镜支架设计得尽可能小。鉴于反射望远镜的性质，其应用和用途将与折射望远镜略有不同。

反射望远镜固有的一些优点：

1、可以更容易地结合一个更大的反射镜，以获得更大的光收集能力。

2、物镜产生的色差较少。唯一的色差来自目镜。

3、所需的光学组件具有较低的成本。

4、由于更短的长度和由于光程长度折叠而能够将它们拆开，因此它们可以更便携。

5、手工研磨反射镜比手工制作折射镜更容易，这有助于降低成本。

反射望远镜有一些固有的缺点：

1、它们通常具有较低的成像性能。

2、每次使用时都需要考虑/重置准直。

3、如果使用开放式设计理念，它们更容易受到环境/温度变化的影响。

对准和准直

    一旦望远镜组装好，就需要对其进行校准。这通常是通过目视检查来完成的，尤其是对于每次使用时都需要对齐和准直的望远镜，例如一种称为多布森望远镜的反射牛顿望远镜。

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