我離月亮最近的地方，是在望遠(yuǎn)鏡里

春天，萬物復(fù)蘇，大地披上了綠衣；夏天，在碧綠的池塘上，總能看到一朵朵荷花嬌俏的站立在水面，才有了“接天蓮葉無窮碧，映日蓮花別樣紅”的美景存在；秋天，秋高氣爽，田野上波動著金色麥浪；冬天，萬物銀裝素裹。不同時節(jié)大自然都在以獨(dú)特的方式向人們展現(xiàn)它的美。

一、人是如何看到物體的？

我們能看見這五彩繽紛的大千世界，完全得益于人體的視覺器官——眼睛。要想了解人眼如何成像那我們需要先知道人眼的結(jié)構(gòu)。從外面觀察，我們眼睛有眼白和眼珠兩部分，其中黑色的眼珠最外面是一層薄薄的透明角膜，角膜內(nèi)有透明的液體叫房水，房水后面又有個有彈性、可調(diào)節(jié)曲度的晶狀體，晶狀體的后面還有透明的膠狀物叫玻璃體。它們都是能透過光線的。包裹它們的是三層膜，最里面的一層叫視網(wǎng)膜，上面有許多感光細(xì)胞，可感受光的刺激。中間一層叫脈絡(luò)膜，上面有許多色素，它的作用是使眼球里面保持黑暗（像照相機(jī)的暗房一樣），以免漏過其他光線而影響視覺。最外面的一層叫鞏膜，也就是我們看到的眼白，上面有許多血管神經(jīng)，有保護(hù)和維持眼球形態(tài)的作用[1]。當(dāng)物體上的光線透過角膜、房水、晶體、玻璃體時，被折射聚焦到視網(wǎng)膜上成一倒立的像，而視網(wǎng)膜上的感光細(xì)胞受到光線的刺激，產(chǎn)生沖動，由視覺神經(jīng)傳到大腦即形成了視覺，也就是我們平時所說的看見東西啦。

圖1 眼球解剖結(jié)構(gòu)

眼球成的像是一個倒立的像，這個像在我們大腦的調(diào)節(jié)作用下最終變成正像。

圖2 人眼成像

人眼可以看到物體，從理論上講通過肌肉對晶狀體的曲率調(diào)節(jié)人眼可以看到0到無限遠(yuǎn)的物體，但是人眼分辨物體的能力以視角和亮度來衡量，也就是說，這個物體的光到達(dá)人眼時還需要有一定的夾角，人眼才能看到；同時還必須具備一定的亮度，這樣人眼才能夠感知?？偨Y(jié)一下就是，物體的體積和亮度越大，能看到它的距離就越遠(yuǎn)；反之物體的亮度和體越小，能看到它的距離就越近。

同一物體對于眼睛的張角，會隨著離眼睛距離的增加而減小。例如在日常生活中，我們會觀察到路上行駛車輛的車牌，會隨著車輛駕駛遠(yuǎn)離由最初看到的清晰車牌到只能看到輪廓，最終變?yōu)橐粓F(tuán)模糊的過程。

圖3 人眼不同距離成像情況

若想要坐在家里便能看到千米外的景物和探索宇宙中的星辰大海，那就需要借助這個時代的千里眼——望遠(yuǎn)鏡。

二、望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn)

望遠(yuǎn)鏡是一種用于觀察遠(yuǎn)距離物體的目視光學(xué)儀器，能把遠(yuǎn)處景物很小的張角按一定倍率放大，使之在像空間具有較大的張角，使本來無法用肉眼看清或分辨的物體變的清晰可辨。

望遠(yuǎn)鏡的歷史可以追溯到17世紀(jì)，關(guān)于望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明有很多種說法，其中一種是這樣描述的：1608年荷蘭的米德爾堡，兩個小孩在眼鏡師漢斯·利伯謝（Hans Lippershey）的商店門前玩弄幾片透鏡，他們通過前后兩塊透鏡看到了遠(yuǎn)處教堂上的風(fēng)標(biāo)，兩人興高采烈。漢斯·利伯謝非常好奇，于是也拿起兩片透鏡組合對遠(yuǎn)處的風(fēng)標(biāo)進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)處的風(fēng)標(biāo)放大了許多。利伯謝跑回商店，把兩塊透鏡裝在一個筒子里，經(jīng)過多次試驗(yàn)，漢斯·利伯謝發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡[2]。

圖4 世界上第一架望遠(yuǎn)鏡

從400年前問世至今，望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明和發(fā)展在不斷的“拉近”物與物之間的距離，人類借助望遠(yuǎn)鏡重新定義了我們在宇宙中的位置，認(rèn)識到了不僅地球不是宇宙的中心，太陽也不是銀河系的中心。像銀河系這樣直徑達(dá)10萬光年，內(nèi)有1000多億顆恒星的巨大星系也只是浩瀚宇宙中的滄海一粟。從某種意義上講，望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展也就是現(xiàn)代天文學(xué)的發(fā)展[3]。有意思的是，這種科學(xué)設(shè)備我們卻經(jīng)常在許多場所看到它的身影。不管你相信也好，懷疑也罷，望遠(yuǎn)鏡一直以來都是最為重要的科學(xué)儀器之一。

三、望遠(yuǎn)鏡的分類

介紹完望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展歷史和對人類的意義，那么接下來我們就來聊聊望遠(yuǎn)鏡的分類。

望遠(yuǎn)鏡一般分為三種[4]

1、折射望遠(yuǎn)鏡

使用透鏡作為物鏡的望遠(yuǎn)鏡稱為折射望遠(yuǎn)鏡。折射望遠(yuǎn)鏡可分為兩種類型：使用凹透鏡作目鏡的稱伽利略望遠(yuǎn)鏡；使用凸透鏡作目鏡的稱開普勒望遠(yuǎn)鏡。伽利略望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)非常簡單、光能損失少、鏡筒短、輕便且成的景物像為正像，缺點(diǎn)是倍數(shù)小、視野窄，所以一般只用做觀劇鏡和玩具望遠(yuǎn)鏡；開普勒望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)點(diǎn)是視場大，但是得到的像是倒立的，所以需要在物鏡后面添加棱鏡組或透鏡組來轉(zhuǎn)像，使眼睛觀察到的是正像。一般的折射望遠(yuǎn)鏡都是采用開普勒結(jié)構(gòu)。由于折射望遠(yuǎn)鏡的成像質(zhì)量比反射望遠(yuǎn)鏡好，視場大，使用方便，易于維護(hù)，中小型天文望遠(yuǎn)鏡及許多專用儀器多采用折射系統(tǒng)，但大型折射望遠(yuǎn)鏡制造起來比反射望遠(yuǎn)鏡困難得多，因?yàn)橹圃齑罂趶降膬?yōu)質(zhì)透鏡非常困難，且存在玻璃對光線的吸收問題，所以大口徑望遠(yuǎn)鏡都采用反射式。

圖5 伽利略型望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)及成像原理

圖6 開普勒型望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)及成像原理

2、反射望遠(yuǎn)鏡

使用凹面反射鏡作物鏡的望遠(yuǎn)鏡稱為反射望遠(yuǎn)鏡。反射望遠(yuǎn)鏡可分為牛頓望遠(yuǎn)鏡、卡塞格林望遠(yuǎn)鏡等幾種類型。

圖7 牛頓望遠(yuǎn)鏡

圖8 卡塞格林望遠(yuǎn)鏡

反射望遠(yuǎn)鏡的主要優(yōu)點(diǎn)是不存在色差，當(dāng)物鏡采用拋物面時，還可消去球差。但是為了減小其它像差的影響，導(dǎo)致可使用的視場較小。就其加工難度和制造工藝來說，因?yàn)橹麋R只有一個表面需要加工，這就大大降低了制造成本和制造的困難，因此目前口徑大于1.34米的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡全部是反射望遠(yuǎn)鏡。一架較大口徑的反射望遠(yuǎn)鏡，通過變換不同的副鏡，可獲得主焦點(diǎn)系統(tǒng)(或牛頓系統(tǒng))、卡塞格林系統(tǒng)和折軸系統(tǒng)。這樣，一架望遠(yuǎn)鏡便可獲得幾種不同的相對口徑和視場。在應(yīng)用方面反射望遠(yuǎn)鏡主要用于天體物理方面的工作。

3、折反射望遠(yuǎn)鏡

折反射望遠(yuǎn)鏡是在球面反射鏡的基礎(chǔ)上，再加入用于校正像差的折射元件，這樣不僅可以避免困難的大型非球面鏡的加工，又能獲得良好的成像質(zhì)量。比較著名的是1931年被德國光學(xué)家施密特發(fā)明的施密特望遠(yuǎn)鏡，其結(jié)構(gòu)是在球面反射鏡的球心位置處放置一施密特非球面透鏡，使光束的中心部分略有會聚，而外圍部分略有發(fā)散，正好矯正球差和彗差。

圖9 施密特望遠(yuǎn)鏡

還有一種較為著名的折反式望遠(yuǎn)鏡為1941年由前蘇聯(lián)光學(xué)家馬克蘇托夫（Maksutov）制成的馬克蘇托夫望遠(yuǎn)鏡。其結(jié)構(gòu)是在球面反射鏡前面加一個負(fù)彎月型透鏡，選擇合適的彎月透鏡的參數(shù)和位置，可以同時校正球差和彗差。在折反射望遠(yuǎn)鏡中，由反射鏡成像，折射鏡用于校正像差。它的特點(diǎn)是相對口徑很大，光力強(qiáng)，視場廣闊，像質(zhì)優(yōu)良。在應(yīng)用方面折反望遠(yuǎn)鏡適于巡天攝影和觀測星云、彗星、流星等天體。小型目視望遠(yuǎn)鏡若采用折反射卡塞格林系統(tǒng)，鏡筒可做到非常短小。

圖10 馬克蘇托夫望遠(yuǎn)鏡

四、正像系統(tǒng)

通過開普勒望遠(yuǎn)鏡看到的是物體的倒像，為了便于觀察要在系統(tǒng)中加入正像棱鏡系統(tǒng)將倒像翻轉(zhuǎn)過來，可以用來翻轉(zhuǎn)倒像的有別漢棱鏡系統(tǒng)（Roof Prism）（也就是斯密特-別漢屋脊棱鏡系統(tǒng)）和保羅棱鏡系統(tǒng)（Porro Prism）（也稱普羅棱鏡系統(tǒng)），兩種系統(tǒng)的原理及應(yīng)用是相似的。唯一的區(qū)別在于別漢棱鏡系統(tǒng)反轉(zhuǎn)圖像后依然是在同一軸上，而保羅棱鏡反轉(zhuǎn)后的圖像與反轉(zhuǎn)前圖像處在不同軸上，所以導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不夠緊密。

我們先來看看這兩種正像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：

別漢棱鏡系統(tǒng)由兩個被空氣隙分離的玻璃棱鏡組成，多次的全反射造成影像在垂直方向的翻轉(zhuǎn)，在第二個棱鏡的"屋頂" 將影像做了側(cè)向的翻轉(zhuǎn)，一起導(dǎo)致影像180°的旋轉(zhuǎn)。圖為徠卡的望遠(yuǎn)鏡，使用的正像系統(tǒng)就是別漢棱鏡系統(tǒng)。

圖11 別漢棱鏡系統(tǒng)

保羅棱鏡系統(tǒng)是由玻璃塊塑造成的等腰直角三棱鏡，末端平面對著直角。在使用上，光線由三棱鏡中最大的長方形面進(jìn)入，經(jīng)過斜面的兩次全反射，再穿透原來的入射平面射出。因?yàn)楣饩€只是以正常的狀態(tài)進(jìn)出，三棱鏡并未發(fā)生色散的作用。但是經(jīng)過保羅棱鏡的影像會被翻轉(zhuǎn)180°，并且會向原來進(jìn)入的方向行進(jìn)，也就是行進(jìn)的方向也改變了180°。

圖12 保羅棱鏡系統(tǒng)

五、使用多軸籠式結(jié)構(gòu)搭建望遠(yuǎn)鏡

我們?nèi)粘Ｒ姷降耐h(yuǎn)鏡都是封裝好固定于特定的外殼中，結(jié)構(gòu)和光路的走向無法看到，往往給人一種神秘感，但當(dāng)它的神秘面紗被揭露的時候你會感慨原來望遠(yuǎn)鏡不過就是幾塊鏡片組成的。

使用多軸籠式結(jié)構(gòu)搭建的開普勒望遠(yuǎn)系統(tǒng)，可以直觀的看到望遠(yuǎn)鏡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并且可以在理解望遠(yuǎn)鏡的成像原理以及相關(guān)光學(xué)知識的前提下，使用多軸籠式光機(jī)械件和光學(xué)元件如同搭建積木的方式搭建DIY望遠(yuǎn)鏡。

使用別漢棱鏡系統(tǒng)作為正像系統(tǒng)放置于多軸籠式結(jié)構(gòu)搭建的開普勒望遠(yuǎn)系統(tǒng)中，系統(tǒng)中的光學(xué)元件同軸，結(jié)構(gòu)簡潔緊湊，在教學(xué)和科普中可直觀的觀察到光學(xué)現(xiàn)象的同時也可將別漢棱鏡系統(tǒng)的作用展現(xiàn)出來，通過移動物鏡或者目鏡來觀測不同距離的景物。

圖13 使用銳光凱奇（*RayCage）多軸籠式結(jié)構(gòu)搭建的別漢棱鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的開普勒望遠(yuǎn)系統(tǒng)

雖然保羅棱鏡系統(tǒng)會導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不緊湊，但是由于保羅棱鏡系統(tǒng)擁有結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉和良好的光學(xué)效果等優(yōu)勢，所以在大多數(shù)望遠(yuǎn)鏡中也得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)多軸籠式結(jié)構(gòu)可多層光軸聯(lián)用的優(yōu)勢，設(shè)計了獨(dú)特的棱鏡裝卡器，將保羅棱鏡系統(tǒng)使用到多軸籠式結(jié)構(gòu)搭建的顯微鏡中達(dá)到反轉(zhuǎn)圖像的效果。

圖14 使用銳光凱奇（RayCage）多軸籠式結(jié)構(gòu)搭建的保羅棱鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的開普勒望遠(yuǎn)系統(tǒng)

望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明改變了我們觀察宇宙的方式，這種改變已經(jīng)整整持續(xù)了400多年。但在使用望遠(yuǎn)鏡方面，人類自身也要經(jīng)歷一些變化。我們必須認(rèn)識到，在了解望遠(yuǎn)鏡呈現(xiàn)的事物前，它不僅僅是視覺的一種拓展，更是一種想法的延伸。此篇文章只是簡單的介紹了望遠(yuǎn)鏡的簡單的知識，感興趣的讀者可以查閱相關(guān)的資料了解更多望遠(yuǎn)鏡的內(nèi)容。在這里銳光凱奇公司也只是使用多軸籠式結(jié)構(gòu)搭建了簡單的開普勒望遠(yuǎn)鏡，如果對伽利略望遠(yuǎn)鏡和反射式望遠(yuǎn)鏡感興趣的也可以自己動手搭建自己的DIY望遠(yuǎn)鏡，去“擁抱”星星月亮！

參考文獻(xiàn)

1.Davson、Hugh 和 Perkins、Edward S..“人眼”。大英百科全書，2021 年 12 月 1 日，https://www.britannica.com/science/human-eye。

2.華慶富. 看得更遠(yuǎn)，看得更清——望遠(yuǎn)鏡與顯微鏡[J]. 今日中學(xué)生,2019(35):20-22.

3.蘇定強(qiáng).望遠(yuǎn)鏡和天文學(xué):400年的回顧與展望[J].物理,2008(12):836-843.

4.夏雄平.光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明和演變[J].發(fā)明與創(chuàng)新(學(xué)生版),2007(04):12-13.

創(chuàng)作者：陳庭效 銳光凱奇（鎮(zhèn)江）光電科技有限公司,中國儀器儀表學(xué)會青少年光科學(xué)（鎮(zhèn)江）主題科普教育基地

（備注：本文為中國儀器儀表學(xué)會開展的“身邊的儀器儀表及儀器儀表科技工作者”科普創(chuàng)作征集活動投稿作品）