卡塞格林望远镜:由两块
反射镜组成的一种
反射望远镜,1672年为卡塞格林所发明。反射镜中大的称为
主镜,小的称为
副镜。通常在主镜中央
开孔,成像于主镜后面。它的焦点称为卡塞格林焦点。有时也按图中
虚线那样多加入一块斜
平面镜,成像于侧面,这种卡塞格林望远镜,又称为耐司姆斯望远镜。
发明和设计
卡塞格林望远镜的设计是以
伯恩哈德·施密特的摄星仪为基础,一如施密特摄星仪使用
球面镜做主镜,并以修正板来改正
球面像差;承袭卡塞格林的设计,以
凸面镜做
次镜,将光线反射穿过
主镜中心的孔洞,汇聚在主镜后方的
焦平面上。有些设计会在焦平面的附近增加其他的光学元件,例如平场镜。
美国制Celestron星特朗C9.25卡塞格林式望远镜它有许多的变形(双
球面镜、双
非球面镜、或球面镜与非球面镜各一),可以被区分为两种主要的设计形式:紧密的和非紧密的。
在紧密的设计中,修正板靠近或就在
主镜的焦点上;非紧密的修正板则靠近或就在主镜的
曲率中心上(焦距的两倍距离)。
紧密设计的典型例子就是Celestron和Meade的产品,结合一个坚固的主镜和小而
曲率大的
次镜。这样虽然牺牲了视野的广度,但可以让镜筒缩成很短。多数紧密设计的Celestron和Meade的主镜
焦比是f/2,而次镜是负f/5,产生的系统焦比是f/10。须要提出的例外是Celestron的C-9.25,主镜的焦比是f/2.3,次镜的焦比是f/4.3,结果是镜筒比一般紧密型的要长,而视野比较平坦。
非紧密的设计让修正板靠近或就在主镜的曲率中心上,一种非常好的施密特-卡塞格林设计例子是同心,就是让所有镜面的曲率中心都在一个点上:主镜的曲率中心。在光学上,非紧密型的设计比紧密形的能产生较好的
平场和变型的修正,但镜筒在长度上却有所增加。
主要类型
⒈Classical Cassegrain
抛物面 双曲面⒉Ritchey-Chretien 双曲面 双曲面
⒊Dall-Kirkham 椭圆面 球面
⒋Houghton-Cassegrain
双凸透镜+
双凹透镜 球面 球面
⒌Schmit-Cassegrain 施密特校正器 面型任意
⒍Maksutov-Cassegrain 弯月透镜球面 球面
⒎Schmidt-meniscus Cassegrain施密特校正器+弯月透镜 球面 球面
⒏Mangin-Cassegrain 多个
球面透镜 球面 球面
⒐Pressmann-Camichel 球面 椭圆面
⒑Schiefspiegler 斜反射离轴
结构形式
Classical Cassegrain
(经典的卡塞格林系统):
“传统的”卡塞格林望远镜有
抛物面镜的
主镜,和
双曲面的
次镜将光线反射并穿过主镜中心的孔洞,折叠光学的设计使镜筒的长度紧缩。在小望远镜和照相机的镜头,次镜通常安装在封闭望远镜镜筒的透明
光学玻璃板上的
光学平台散射效应。封闭镜筒虽然会造成集
光量的损失,但镜筒可以保持干净,
主镜也能得到保护。
它利用双曲面和
抛物面反射的一些特性,
凹面的
抛物面反射镜可以将平行于
光轴入射的所有光线汇聚在单一的点上-焦点;
凸面的
双曲面反射镜有两个焦点,会将所有通过其中一个焦点的光线反射至另一个焦点上。这一类型望远镜的镜片在设计上
会安放在共享一个焦点的位置上,以便光线能在双曲
面镜的另一个焦点上成像以便观测,通常外部的
目镜也会在这个点上。抛物面的主镜将进入望远镜的
平行光线反射并汇聚在焦点上,这个点也是
双曲线面镜的一个焦点。然后双曲面镜将这些光线反射至另一个焦点,就可以在那儿观察影像.
Ritchey- chretien
(R-C系统,里奇克列基昂):
平行于光轴的光﹐满足等
光程和正弦条件的卡塞格林望远镜。它是由克列基昂(H.Chretien)提出﹑里奇
R-C望远镜。它的焦点称为R-C焦点。这种望远镜的主﹑
副镜形状很接近旋转
双曲面﹐在实用上可把这种系统近似地视为消除三级
球差和
彗差的﹑由旋转双曲面组成的系统。由于消除了彗差﹐可用
视场比其他形式的卡塞格林望远镜更大一些﹐并且像斑呈对称的椭圆形。如果采用弯曲底片﹐视场会更明显地增大﹐像斑则呈圆形。一个主镜
相对口径为1/3﹑系统相对口径为1/8﹑且像成在主镜后面不远处的这种望远镜﹐其主镜偏心率接近于1.06的双曲面﹐副镜
偏心率接近于2.56的双曲面。在理想像平面(近轴光的像平面)上﹐如要求像斑的弥散不超过1﹐可用
视场直径约为19';如用弯曲底片﹐仍要求像斑的弥散不超过1﹐则视场直径可达37'。如要获得更大的视场﹐则需加入
像场改正透镜。加入
像场改正的
R-C望远镜比主镜为抛物面的卡塞格林望远镜的效果也更好。但在R-C望远镜中使用主焦点时﹐所成的像是有
球差的。因此﹐使用它的主焦点时通常至少需加入一块改正透镜或
反射镜。
典型的卡塞格林系统
主镜为抛物面,
次镜为双曲面,这样只能校正球差,如果将主镜也改为双曲面则可以校正两种
像差,球差和
慧差,
视场也可适当增大,但为了进一步增大视场则还需校正
场曲、
象散和畸变,这就还需要在像方加一组至少由两片透镜组成的校正透镜组,可称之为
场镜。
(达--客 卡塞格林)
达尔-奇克汉卡塞格林望远镜是霍勒斯达尔在1928年设计出来的,并在1930年由当时的科学美国人编辑,也是
业余天文学家的艾伦奇克汉和艾伯特G.英格尔写成论文发表在该杂志上。这种设计使用凹的椭圆面镜做主镜,凸的
球面镜做第二
反射镜。这样的系统比卡塞格林或里奇-克莱琴的系统都容易磨制,但是没有修正离轴的
彗形像差和
视场畸变,所以离开轴心的影像品质便会很快的变差。但是对长
焦比的影响较小,所以焦比在f/15以上的反射镜仍会采用此种形式的设计。
Hougton的
改正镜由一块
双凸透镜和一块双
凹镜组成,能很好的修正
球差,
彗差,畸变,可用
视场很大,色差也极小,可以忽略不计.
像差主要是离轴像散,所有面都是球面,
曲率半径较大(不象马克苏托夫的改正镜曲率半径很小)容易加工.对材料要求也较低. 安装方面,
改正镜两透镜之间的间隔,以及和主镜间的距离的容差很大,主要是对正光轴.
Hougton用于目视和摄影都有很好的表现. 个人感觉Hougton做成大
焦比(快速)用于摄影更能体现它的优势. 如果小焦比目视的话,和抛物面牛反相比基本没明显的优势,已有一些国外DIYer做出Hougton-牛望远镜. 这种形式可以说是DIYer唯一能自制的折反镜了. 另外,在
oslo里测试过,当口径较小时(比如100mm,120mm),将改正镜的
双凸透镜改为凸平镜,双
凹镜改为凹平镜,虽然会引入一些
像差,但是非常小(按摄影要求).只要要求不是相当的高,完全在可以接受的范围内.。施密特-卡塞格林式
schmit-cassegrain
施密特-卡塞格林式望远镜是一种
折反射望远镜,以折叠的光路与修正板结合,做成一个紧密的天文学仪器。
施密特-卡塞格林的设计是以
伯恩哈德·施密特的施密特摄星仪为基础,一如施密特摄星仪使用
球面镜做主镜,并以
施密特修正板来改正
球面像差;承袭卡塞格林的设计,以
凸面镜做
次镜,将光线反射穿过主镜中心的孔洞,汇聚在
主镜后方的
焦平面上。有些设计会在焦平面的附近增加其他的光学元件,例如平场镜。
它有许多的变形(双球面镜、双非球面镜、或球面镜与非球面镜各一),可以被区分为两种主要的设计形式:紧密的和非紧密的。在紧密的设计中,修正板靠近或就在主镜的焦点上;非紧密的修正板则靠近或就在主镜的曲率中心上(焦距的两倍距离)。紧密设计的典型例子就是Celestron和Meade的产品,结合一个坚固的主镜和小而
曲率大的
次镜。这样虽然牺牲了视野的广度,但可以让镜筒缩成很短。多数紧密设计的Celestron和Meade的主镜
焦比是f/2,而次镜是负f/5,产生的系统焦比是f/10。须要提出的例外是Celestron的C-9.25,主镜的焦比是f/2.3,次镜的焦比是f/4.3,结果是镜筒比一般紧密型的要长,而视野比较平坦。非紧密的设计让修正板靠近或就在主镜的曲率中心上,一种非常好的施密特-卡塞格林设计例子是同心,就是让所有镜面的曲率中心都在一个点上:主镜的曲率中心。在光学上,非紧密型的设计比紧密形的能产生较好的平场和变型的修正,但镜筒在长度上却有所增加。
Maksutov-cassegrain
马克苏托夫-卡塞格林式:
马克苏托夫是折射反射(面镜-透镜)望远镜,被设计来减少离轴的
像差,例如
彗形像差。在1944年,
苏联光学家德密特利·马克苏托夫发明此型望远镜,在设计上以
球面镜作主镜并结合在
入射光孔的
弯月形的修正壳以改正
球面像差,这是在
反射望远镜和其他类型上的
重大问题。马克苏托夫式的最大缺点是不能制作大口径的(>250毫米/10 英吋),因为受到修正板的抑制,重量和制作成本都会上扬。
马克苏托夫
物镜不能校正整个光束的
球差,只能校正边缘球差,因此存在剩余球差,对轴外
像差来说,只能校正
慧差,不能校正
象散。在他发明之际,马克苏托夫自己暗示有可能取代卡塞格林式的“折叠”光学的构造。
珀金埃尔默的设计师约翰·葛利格里由马克苏托夫的想法发展出了马克苏托夫-卡塞格林望远镜。稍后,葛利格里在1957年的
天空和望远镜杂志上发表了划时代的f/15和f/23的马克苏托夫-卡塞格林望远镜设计,为珀金埃尔默明确的预告了这项设计在商业上的用途。
许多被制造的马克苏托夫式都采用了“卡塞格林”的设计(有时称为斑点马克苏托夫),原本的
次镜被在修正板内侧的一小片铝制的斑点所取代。好处是已经固定住无须再对正与校准,也消除了蜘蛛型支撑架所产生的
衍射条纹。缺点则是损失了一定量的自由度(次镜的曲率半径),因为次镜的曲率半径必须与弯月形修正板的内侧一致。葛利格里自己,第二次,
再设计的速度较快的(f/15)时,就改采修正板的前面或主镜为非球面镜来减少像差。
Schmidt-meniscus Cassegrain
施密特弯月形卡塞格林
这种类型的望远镜可谓是集合了施密特和马克苏托夫的优点,相当于是叫了两种校正器,施密特用于校正
球差,弯月用于校正慧差,不过这种类型的卡塞格林长度显得有些过长,不适合大口径的使用。
Mangin-Cassegrain
阿古诺夫-卡塞格林
阿古诺夫-卡塞格林望远镜的设计是在1972年由P.P. 阿古诺夫首度介绍给世人的。他所有的光学元件都是
球面镜,并将传统卡塞格林式的
次镜换成三个有空气隙的透镜元件。距离主镜最远的透镜是曼京镜,它的作用如同第二个镜子的表面,在对向天空的一面有反射用的涂层。阿古诺夫的系统只使用球状的表面,避免了
非球面的制造和测试。然而,获得的好处似乎很少,因为这套系统实际上非常难以制做,它需要精确的自由区域球的曲率半径以取代等效的非球面镜。
Pressmann-Camichel
普雷斯曼-卡米歇尔卡塞格林
相比上述几种类型卡塞格林来说,Pressmann-Camichel Type最容易制造,但品质较差,需加施密特校正器才能使用。
Schiefspiegler
卡塞格林反射镜,他将
主反射镜倾斜以避免第二反射镜在
主镜上造成阴影。虽然消除了衍射的图形,却又导致了其他不同的
像差必须要修正。
Three-mirror Cassegrain
三反卡塞格林
三
反射镜系统由三片反射镜组成,有两个间距、三个半径和三个圆锥系数共八个变量,除了满足系统焦距、
球差、
彗差、像散、场曲等
系统性能和像质要求外,还有足够的变量进行系统布局和结构的
优化设计。三反射镜系统比两反射镜系统的
视场大,且易于控制
光学系统的杂散辐射,增加了轴外视场的
光通量,使得像面照度更加均匀。随着
空间技术的发展,全反射式光学系统,尤其是三
反射式光学系统正在逐渐成为空间光学系统的主要形式。
实际应用
在卡塞格林
望远镜焦点处可以安置较大的
终端设备,并不挡光,且观测操作也较方便。对于一个兼具有
主焦点系统、卡塞格林系统和折轴系统的望远镜,卡塞格林望远镜的
相对口径是中等的,它适用于作中等光力、较大
比例尺的照相和其他工作,一般在这里进行的主要工作有较大
光谱仪的
分光观测、直接照相和
像增强器照相、
光电测光和红外观测等。
这种设计在制造商提供给消费者的望远镜上非常普遍,因为球面的
光学表面不仅比长焦距的
折射式望远镜容易制做。虽然这类望远镜比
同口径的
反射式望远镜价格要更昂贵,但是由于紧密的光学设计使它在依订设计的口径之内很容易携带,使它在严谨细致的
天文爱好者中更受青睐,已经成为主流的业余高端天象观测仪器。高的
焦比意味著它不同於前身的
施密特摄星仪,不是一架广角的望远镜,但是它狭窄的视野很适合观测行星和
深空天体。