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卡塞格林望遠鏡

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卡塞格林望遠鏡:由兩塊反射鏡組成的一種反射望遠鏡,1672年為卡塞格林所發明。反射鏡中大的稱為主鏡,小的稱為副鏡。通常在主鏡中央開孔,成像於主鏡後面。它的焦點稱為卡塞格林焦點。有時也按圖中虛線那樣多加入一塊斜平面鏡,成像於側面,這種卡塞格林望遠鏡,又稱為耐司姆斯望遠鏡。

1發明和設計

卡塞格林望遠鏡的設計是以伯恩哈德·施密特的攝星儀基礎,一如施密特攝星儀使用球面鏡做主鏡,並以修正板來改正球面像差;承襲卡塞格林的設計,以凸面鏡做次鏡,將光線反射穿過主鏡
卡塞格林望遠鏡

  卡塞格林望遠鏡

中心的孔洞,匯聚在主鏡後方的焦平面上。有些設計會在焦平面的附近增加其他的光學元件,例如平場鏡。
美國制Celestron星特朗C9.25卡塞格林式望遠鏡它有許多的變形(雙球面鏡、雙非球面鏡、或球面鏡與非球面鏡各一),可以被區分為兩種主要的設計形式:緊密的和非緊密的。
在緊密的設計中,修正板靠近或就在主鏡的焦點上;非緊密的修正板則靠近或就在主鏡的曲率中心上(焦距的兩倍距離)。
緊密設計的典型例子就是Celestron和Meade的產品,結合一個堅固的主鏡和小而曲率大的次鏡。這樣雖然犧牲了視野的廣度,但可以讓鏡筒縮成很短。多數緊密設計的Celestron和Meade的主鏡焦比是f/2,而次鏡是負f/5,產生的系統焦比是f/10。須要提出的例外是Celestron的C-9.25,主鏡的焦比是f/2.3,次鏡的焦比是f/4.3,結果是鏡筒比一般緊密型的要長,而視野比較平坦。
非緊密的設計讓修正板靠近或就在主鏡的曲率中心上,一種非常好的施密特-卡塞格林設計例子是同心,就是讓所有鏡面的曲率中心都在一個點上:主鏡的曲率中心。在光學上,非緊密型的設計比緊密形的能產生較好的平場和變型的修正,但鏡筒在長度上卻有所增加。

2主要類型

⒈Classical Cassegrain 拋物面 雙曲面
卡塞格林望遠鏡

  卡塞格林望遠鏡

⒉Ritchey-Chretien 雙曲面 雙曲面
⒊Dall-Kirkham 橢圓面 球面
⒋Houghton-Cassegrain 雙凸透鏡+雙凹透鏡 球面 球面
⒌Schmit-Cassegrain 施密特校正器 面型任意
⒍Maksutov-Cassegrain 彎月透鏡球面 球面
⒎Schmidt-meniscus Cassegrain施密特校正器+彎月透鏡 球面 球面
⒏Mangin-Cassegrain 多個球面透鏡 球面 球面
⒐Pressmann-Camichel 球面 橢圓面
⒑Schiefspiegler 斜反射離軸

3結構形式

Ritchey- chretien
(R-C系統,里奇克列基昂):
平行於光軸的光﹐滿足等光程和正弦條件的卡塞格林望遠鏡。它是由克列基昂(H.Chretien)提出﹑里奇(G.W.Ritch)製成的﹐按他們兩人姓氏的第一個字母得名為R-C望遠鏡。它的焦點稱為R-C
光學望遠鏡結構特點

  光學望遠鏡結構特點

焦點。這種望遠鏡的主﹑副鏡形狀很接近旋轉雙曲面﹐在實用上可把這種系統近似地視為消除三級球差和彗差的﹑由旋轉雙曲面組成的系統。由於消除了彗差﹐可用視場比其他形式的卡塞格林望遠鏡更大一些﹐並且像斑呈對稱的橢圓形。如果採用彎曲底片﹐視場會更明顯地增大﹐像斑則呈圓形。一個主鏡相對口徑為1/3﹑系統相對口徑為1/8﹑且像成在主鏡後面不遠處的這種望遠鏡﹐其主鏡偏心率接近於1.06的雙曲面﹐副鏡偏心率接近於2.56的雙曲面。在理想像平面(近軸光的像平面)上﹐如要求像斑的彌散不超過1﹐可用視場直徑約為19'﹔如用彎曲底片﹐仍要求像斑的彌散不超過1﹐則視場直徑可達37'。如要獲得更大的視場﹐則需加入像場改正透鏡。加入像場改正的R-C望遠鏡比主鏡為拋物面的卡塞格林望遠鏡的效果也更好。但在R-C望遠鏡中使用主焦點時﹐所成的像是有球差的。因此﹐使用它的主焦點時通常至少需加入一塊改正透鏡或反射鏡。
典型的卡塞格林系統主鏡為拋物面,次鏡為雙曲面,這樣只能校正球差,如果將主鏡也改為雙曲面則可以校正兩種像差,球差和慧差,視場也可適當增大,但為了進一步增大視場則還需校正場曲、象散和畸變,這就還需要在像方加一組至少由兩片透鏡組成的校正透鏡組,可稱之為場鏡。
Houghton-cassegrain
(H-C系統,霍頓卡塞格林):兩個球面反射鏡
Hougton的改正鏡由一塊雙凸透鏡和一塊雙凹鏡組成,能很好的修正球差,彗差,畸變,可
光學望遠鏡結構特點

  光學望遠鏡結構特點

用視場很大,色差也極小,可以忽略不計.像差主要是離軸像散,所有面都是球面,曲率半徑較大(不象馬克蘇托夫的改正鏡曲率半徑很小)容易加工.對材料要求也較低. 安裝方面,改正鏡兩透鏡之間的間隔,以及和主鏡間的距離的容差很大,主要是對正光軸.
Hougton用於目視和攝影都有很好的表現. 個人感覺Hougton做成大焦比(快速)用於攝影更能體現它的優勢. 如果小焦比目視的話,和拋物面牛反相比基本沒明顯的優勢,已有一些國外DIYer做出Hougton-牛望遠鏡. 這種形式可以說是目前DIYer唯一能自制的折反鏡了. 另外,在oslo里測試過,當口徑較小時(比如100mm,120mm),將改正鏡的雙凸透鏡改為凸平鏡,雙凹鏡改為凹平鏡,雖然會引入一些像差,但是非常小(按攝影要求).只要要求不是相當的高,完全在可以接受的範圍內.。施密特-卡塞格林式
Maksutov-cassegrain
馬克蘇托夫-卡塞格林式:
馬克蘇托夫是折射反射(面鏡-透鏡)望遠鏡,被設計來減少離軸的像差,例如彗形像差。在1944年,蘇聯光學家德密特利·馬克蘇托夫發明此型望遠鏡,在設計上以球面鏡作主鏡並結合
光學望遠鏡結構特點

  光學望遠鏡結構特點

在入射光孔的彎月形的修正殼以改正球面像差,這是在反射望遠鏡和其他類型上的重大問題。馬克蘇托夫式的最大缺點是不能製作大口徑的(>250毫米/10 英吋),因為受到修正板的抑制,重量和製作成本都會上揚。
馬克蘇托夫物鏡不能校正整個光束的球差,只能校正邊緣球差,因此存在剩餘球差,對軸外像差來說,只能校正慧差,不能校正象散。在他發明之際,馬克蘇托夫自己暗示有可能取代卡塞格林式的「摺疊」光學的構造。珀金埃爾默的設計師約翰·葛利格里由馬克蘇托夫的想法發展出了馬克蘇托夫-卡塞格林望遠鏡。稍後,葛利格里在1957年的天空和望遠鏡雜誌上發表了劃時代的f/15和f/23的馬克蘇托夫-卡塞格林望遠鏡設計,為珀金埃爾默明確的預告了這項設計在商業上的用途。
許多被製造的馬克蘇托夫式都採用了「卡塞格林」的設計(有時稱為斑點馬克蘇托夫
光學望遠鏡

  光學望遠鏡

),原本的次鏡被在修正板內側的一小片鋁製的斑點所取代。好處是已經固定住無須再對正與校準,也消除了蜘蛛型支撐架所產生的衍射條紋。缺點則是損失了一定量的自由度(次鏡的曲率半徑),因為次鏡的曲率半徑必須與彎月形修正板的內側一致。葛利格里自己,第二次,再設計的速度較快的(f/15)時,就改采修正板的前面或主鏡為非球面鏡來減少像差。
Mangin-Cassegrain
阿古諾夫-卡塞格林
阿古諾夫-卡塞格林望遠鏡的設計是在1972年由P.P. 阿古諾夫首度介紹給世人的。他
卡塞格林望遠鏡結構圖

  卡塞格林望遠鏡結構圖

所有的光學元件都是球面鏡,並將傳統卡塞格林式的次鏡換成三個有空氣隙的透鏡元件。距離主鏡最遠的透鏡是曼京鏡,它的作用如同第二個鏡子的表面,在對向天空的一面有反射用的塗層。阿古諾夫的系統只使用球狀的表面,避免了非球面的製造和測試。然而,獲得的好處似乎很少,因為這套系統實際上非常難以製做,它需要精確的自由區域球的曲率半徑以取代等效的非球面鏡。
Schiefspiegler
"離軸"或"斜反射"反射鏡卡塞格林:
Schiefspiegler("離軸"或"斜反射")反射鏡
光學望遠鏡

  光學望遠鏡

是一種非常奇特的卡塞格林反射鏡,他將主反射鏡傾斜以避免第二反射鏡在主鏡上造成陰影。雖然消除了衍射的圖形,卻又導致了其他不同的像差必須要修正。

Three-mirror Cassegrain

三反卡塞格林
三反射鏡系統由三片反射鏡組成,有兩個間距、三個半徑和三個圓錐係數共八
卡塞格林望遠鏡

  卡塞格林望遠鏡

個變數,除了滿足系統焦距、球差、彗差、像散、場曲等系統性能和像質要求外,還有足夠的變數進行系統布局和結構的優化設計。三反射鏡系統比兩反射鏡系統的視場大,且易於控制光學系統的雜散輻射,增加了軸外視場的光通量,使得像面照度更加均勻。隨著空間技術的發展,全反射式光學系統,尤其是三反射式光學系統正在逐漸成為空間光學系統的主要形式。

4實際應用

在卡塞格林望遠鏡焦點處可以安置較大的終端設備,並不擋光,且觀測操作也較
光學望遠鏡

  光學望遠鏡

方便。對於一個兼具有主焦點系統、卡塞格林系統和折軸系統的望遠鏡,卡塞格林望遠鏡的相對口徑是中等的,它適用於作中等光力、較大比例尺的照相和其他工作,一般在這裡進行的主要工作有較大光譜儀的分光觀測、直接照相和像增強器照相、光電測光和紅外觀測等。
這種設計在製造商提供給消費者的望遠鏡上非常普遍,因為球面的光學表面不僅比長焦距的折射式望遠鏡容易製做。雖然這類望遠鏡比同口徑的反射式望遠鏡價格要更昂貴,但是由於緊密的光學設計使它在依訂設計的口徑之內很容易攜帶,使它在嚴謹細緻的天文愛好者中更受青睞,已經成為目前主流的業餘高端天象觀測儀器。高的焦比意味著它不同於前身的施密特攝星儀,不是一架廣角的望遠鏡,但是它狹窄的視野很適合觀測行星和深空天體。
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