“……盖自开辟以来，每受天真地秀，日精月华，感之既久，遂有灵通之意。内育仙胞，一日迸裂，产一石卵，似圆球样大。因见风化作一个石猴。五官俱备，四肢皆全。便就学爬学走，拜了四方。目运两道金光，射冲斗府。惊动高天上圣大慈仁者玉皇大天尊玄穹高上帝，驾座金阙云宫灵霄宝殿，聚集仙卿，见有金光焰焰，即命千里眼、顺风耳开南天门观看。二将果奉旨出门外，看的真，听的明。……”
这是中国四大名著之一《西游记》一书中写的孙悟空出世时目运两道金光射冲斗府，惊动了玉帝，于是玉帝下旨命自己的两员神将千里眼和顺风耳打开南天门进行查探。这二员神将分别拥有能见千里之外的事物和能听千里之外的声音的神力，所以在天庭之上便可以洞察人间的事物。
千里眼和顺风耳毕竟是小说里虚构的人物，正常人的视力和听力不可能达到这个程度。正常人的明视距离为25cm，当距离增加到250m~270m之间时，可以看清景物的轮廓；距离大于500m后对景物存在模糊的像；当距离大于4000m时，就不易看到景物了。正常人的听力亦不可能达到千里。
图1 人眼的成像原理
随着科学技术的发展，望远镜、手机、电脑、雷达等成为了这个时代的千里眼，广播、电话、手机、录音机等成为了这个时代的顺风耳，人类借助这些工具便可实现眼观千里和耳听千里。这一期将带大家了解一下现代千里眼——望远镜。
望远镜是一种用于观察远距离物体的目视光学仪器，能把远处景物很小的张角按一定倍率放大，使之在像空间具有较大的张角，使本来无法用肉眼看清或分辨的物体变得清晰可辨。望远镜的历史可以追溯到17世纪。1608年荷兰的米德尔堡，两个小孩在眼镜师汉斯·利伯谢（Hans Lippershey）的商店门前玩弄几片透镜，他们通过前后两块透镜看到了远处教堂上的风标，两人兴奋极了。于是利伯谢也拿起两片透镜组合起来对远处的风标进行观察，发现远处的风标放大了许多。利伯谢跑回商店，把两块透镜装在一个筒子里，经过多次试验，汉斯·利伯谢发明了望远镜。
图2 世界上第一架望远镜
从400年前问世至今，望远镜的发明和发展在不断的“拉近”物与物之间的距离，人类借助望远镜重新定义了我们在宇宙中的位置，认识到了不仅地球不是宇宙的中心，太阳也不是银河系的中心，像银河系这样直径达10万光年，内有1000多亿颗恒星的巨大星系也只是浩瀚宇宙中的沧海一粟。从某种意义上讲，望远镜的发展也就是现代天文学的发展。
望远镜一直以来都是最为重要的科学仪器之一，一般分为三种：折射望远镜、反射望远镜和折反射望远镜。
一、折射望远镜
使用透镜作为物镜的望远镜称为折射望远镜。折射望远镜可分为两种类型：使用凹透镜作目镜的称为伽利略望远镜；使用凸透镜作目镜的称为开普勒望远镜。伽利略望远镜的优点是结构非常简单、光能损失少、镜筒短、轻便且成的景物像为正像，缺点是倍数小、视野窄，所以一般只用于观剧镜和玩具望远镜。开普勒望远镜的优点是视场大，但是得到的像是倒立的，所以需要在物镜后面添加棱镜组或透镜组来转像，使眼睛观察到的是正像。一般的折射望远镜都是采用开普勒结构。由于折射望远镜的成像质量比反射望远镜好，视场大，使用方便，易于维护，中小型天文望远镜及许多专用仪器多采用折射系统，但大型折射望远镜制造起来比反射望远镜困难得多，因为制造大口径的优质透镜非常困难，且存在玻璃对光线的吸收问题，所以大口径望远镜都采用反射式。
图3 伽利略望远镜和开普勒望远镜
二、反射望远镜
使用凹面反射镜作物镜的望远镜称为反射望远镜。反射望远镜可分为牛顿望远镜、卡塞格林望远镜等几种类型。
图4 牛顿望远镜
图5 卡塞格林望远镜
反射望远镜的主要优点是不存在色差，当物镜采用抛物面时，还可消去球差。但为了减小其它像差的影响，可使用的视场较小。就其加工难度和制造工艺来说，因为主镜只有一个表面需要加工，这就大大降低了制造成本和制造难度，因此目前口径大于1.34米的光学望远镜全部是反射望远镜。一架较大口径的反射望远镜，通过变换不同的副镜，可获得主焦点系统(或牛顿系统)、卡塞格林系统和折轴系统。这样，一架望远镜便可获得几种不同的相对口径和视场。在应用方面反射望远镜主要用于天体物理方面的工作。
三、折反射望远镜
折反射望远镜是在球面反射镜的基础上，再加入用于校正像差的折射元件，既可以避免困难的大型非球面加工，又能获得良好的成像质量。比较著名的有施密特望远镜，它在球面反射镜的球心位置处放置施密特校正板。它的一个面是平面，另一个面是轻度变形的非球面，使光束的中心部分略有会聚，而外围部分略有发散，正好矫正球差和彗差。
图6 施密特望远镜
还有一种马克苏托夫望远镜，在球面反射镜前面加一个弯月型透镜，选择合适的弯月透镜的参数和位置，可以同时校正球差和彗差。
图7 马克苏托夫望远镜
在折反射望远镜中，由反射镜成像，折射镜用于校正像差。它的特点是相对口径很大(甚至可大于1)，光力强，视场广阔，像质优良。在应用方面折反望远镜适用于巡天摄影和观测星云、彗星、流星等天体。小型目视望远镜若采用折反射卡塞格林系统，镜筒可做到非常短小。
目前市面上出售的望远镜都是封装好固定于特定的外壳中，结构和光路的走向无法看到。结合多轴笼式结构的特点，锐光凯奇公司推出了适用于课堂教学和科普领域的开普勒望远系统，该套系统可以直观地看到望远镜的内部结构，还可以在理解望远镜的成像原理及相关光学知识的前提下使用多轴笼式的光机械和光学元件搭建望远系统。由于通过开普勒望远镜看到的是物体的倒像，所以要在系统中加入正像棱镜系统将倒像翻转过来，可以用来翻转倒像的有别汉棱镜系统（Roof Prism）（也就是斯密特-别汉屋脊棱镜系统）和保罗棱镜系统（Porro Prism）（也称普罗棱镜系统），两种系统的原理及应用是相似的。唯一的区别在于别汉棱镜系统反转图像后依然是同轴的，而保罗棱镜反转后的图像与反转前图像不同轴，所以导致系统结构不够紧密。
图8 别汉棱镜系统
图9 保罗棱镜系统
使用别汉棱镜系统作为正像系统放置于多轴笼式结构搭建的开普勒望远系统中（如图10），系统中的光学元件同轴，结构紧凑，可以通过移动物镜或目镜来观测不同距离的景物。
图10
虽然保罗棱镜系统会导致系统结构不紧凑，但是由于保罗棱镜系统拥有结构简单、造价低廉和良好的光学效果等优势，所以在大多数望远镜中也得到广泛的应用。根据多轴笼式结构可多层光轴联用的优势，设计了独特的棱镜装卡器，将保罗棱镜系统使用到笼式结构搭建的望远镜中达到反转图像的效果（如图11）。
图11
望远镜的发明改变了观察宇宙的方式，这种改变已经整整持续了400多年。但在使用望远镜方面，人类自身也要经历一些变化。我们必须认识到，在了解望远镜呈现的事物前，它不仅仅是视觉的一种拓展，更是一种想法的延伸。此篇文章只是简单地介绍了望远镜的相关知识，感兴趣的读者可以查阅相关的资料了解更多望远镜的内容，如果对伽利略望远镜和反射式望远镜感兴趣的也可以自己动手搭建自己的DIY望远镜。
来源：锐光凯奇raycage
编辑：荔枝果冻
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