望远镜的原理?

望远镜
是如何把
远处
的
景物
移到我们眼前来的呢?
这靠的是组成望远镜的两块
透镜
。望远镜的
前面
有一块
直径
大、
焦距
长的
凸透镜
，名叫
物镜
;后面的一块透镜直径小焦距短，叫
目镜
。物镜把来自远处景物的
光线
，在它的后面汇聚成倒立的缩小了的
实像
，相当于把远处景物一下子移近到成像的地方。而这景物的倒像又恰好落在目镜的前焦点处，这样对着目镜望去，就好象拿
放大镜
看东西
一样，可以看到一个放大了许多倍的
虚像
。这样，很远很远的景物，在望远镜里看来就仿佛近在眼前一样。
望远镜同其他
光学仪器
一样，经过一段漫长的发展历史，各种结构形式的望远镜相继问世。根据
光学原理
，可归纳为折射式和反射式两大类。折射式望远镜，常见的有
棱镜
双筒望远镜
，因它镜简短、视野大，携带方便，常用于
军事
和
野外
考察;
反射式望远镜
是由
凹面镜
作物镜，凸透镜做目镜，用于
天文台
观察
天体
。目前，最大的
反射镜
口径
已达6米，整个望远镜竟有十几层楼房那么高!它“捕捉”的光，比
自然
进入人眼的光要强大1000万倍;用它观察天体，
距离
可达100亿光年(一光年行经的距离约等于94608亿公里)之外，可以看见的
星星
数目有几十亿颗之多

常见望远镜可简单分为伽利略望远镜，开普勒望远镜，和牛顿式望远镜。伽利略发明的望远镜在人类认识自然的历史中占有重要地位。它由一个凹透镜（目镜）和一个凸透镜（物镜）构成。其优点是结构简单，能直接成正像。但自从开普勒望远镜发明后此种结构已不被专业级的望远镜采用，而多被玩具级的望远镜采用，所以又被称做观剧镜.
开普勒望远镜：原理由两个凸透镜构成。由于两者之间有一个实像，可方便的安装分划板，并且各种性能优良，所以目前军用望远镜，小型天文望远镜等专业级的望远镜都采用此种结构。但这种结构成像是倒立的，所以要在中间增加正像系统。

正像系统分为两类：棱镜正像系统和透镜正像系统。我们常见的前宽后窄的典型双筒望远镜既采用了双直角棱镜正像系统。这种系统的优点是在正像的同时将光轴两次折叠，从而大大减小了望远镜的体积和重量。透镜正像系统采用一组复杂的透镜来将像倒转，成本较高，但俄罗斯20×50三节伸缩古典型单筒望远镜既采用设计精良的透镜正像系统。

牛顿发明的反射式望远镜 多为大型座镜采用，在此不再赘述。

关于望远镜的认识

1 什麼是「望远镜」？望远镜有什麼功能？

望远镜就是将远方的景物拉近到眼前，把它放大，能够看得清楚的一种光学仪器。因为科学的进步，藉著新发明的许多仪器辅助，使人类天然感官的功能增强了许多。电话（Telephone）使我们能听见远方友人的声音，并与之对话，就实现了古人所谓「千里耳」的理想；而望远镜（Telescope）使我们能看清楚远方的景物，等於实现了古人所谓「千里眼」的理想。

2 「望远镜」到底是将远方的物体「放大」还是「拉近」呢？

因为同样的物体，在远处看起来就变得很小；所以将远方的物体放大，就是等於将它拉近，和在眼前看到的一样大、一样清楚，并且在视觉上就有将远方的物体拉近，好像拉到了眼前的感觉一样。

3 望远镜的「放大率」是什麼意思？是将远方物体「放大」的倍率还是「拉近」 的倍率？

许多人以为望远镜的放大率是将远方的物体「放大」的倍率，这是不对的；其实望远镜的放大率指的是将远方的物体「拉近」的倍率。比如说：放大率为10倍的望远镜，看100公尺远的景物就像是在10公尺面前看的一样清楚，看1,000公尺远的景物就像是在100公尺外看的一样。放大率为100倍的望远镜，看100公尺远的景物就像是在1公尺面前看的一样清楚，看1,000公尺远的景物就像是在10公尺面前看的一样清楚，看10公里外的景物就像是在100公尺面前看的一样。

4 虽然望远镜是将远方的物体「拉近」了若干倍，但是看起来也的确是「放大」了许多；那麼，它放大的倍率是指著「直径」的放大率，还是「面积」的放大率，还是其他的放大率？

若是以「放大」的倍率来算，在理论上是「直径」的放大率，而不是「面积」的放大率。比如说：放大率10倍的望远镜，就是将远方景物的直径放大了10倍，面积放大了100倍；放大率100倍的望远镜，就是将远方景物的直径放大了100倍，面积放大了10,000倍。但是，我们在视觉上没有感觉它被放大了那麼多倍，那是因为我们同时感觉到它被拉近了许多；既然景象被「拉近」了，就不会像在同样远的地方放大得那麼多倍了。所以，望远镜真正的放大率指的是「视角」的放大率[如图（一）所示]；至於「感觉」目标被放大了多少倍，则因人，因目标之远、近而有所不同。

5 望远镜的放大率在理论和定义上已经说得很清楚了，但是在实际的体验上，到底望远镜能看到什麼样的果效，能否概略形容一下？

我们看望远镜的时候，第一个直接的印象是：「目标被拉近了，变得好近、好近。」另外有的人第一印象是：「怎麼可能？目标在那里？真的是那麼远的、那麼模糊的一点点东西？眼睛看过去几乎都找不到，根本就看不见，怎麼可能被看得那麼清楚呢？」还有的人看大型、精密的天文望远镜，会惊呼赞叹甚至怀疑的说：「那真的是木星吗？看起来只是一个点的小星星会变成那麼大的一个立体圆球，上面还有那麼多条的彩色斑纹，还有四颗卫星，那麼清楚！那真的是土星吗？真的有一个大圆球，上面有好多层的彩纹，还有鲜锐、亮丽的光环…。哇！我看到卡西尼缝了，真是不可思议！那真的是金星吗？怎麼看起来和月亮一模一样，还有盈亏现象呢？会不会是你们把美国大天文台还是人造卫星拍出来的照片或者是幻灯片贴在镜头前面让我们看的？」我们办过几次大型的天文活动，真的有一些人就坚持说：「我真的不相信那是我亲眼从望远镜里面所看见的小星星！」经过我们一再的解说、保证，才被说服了，相信那是真的。我们用巨型的双筒望远镜看月球表面、星云和星团时，更是叫人惊心动魄：「啊？那是月球吗？怎麼变成那麼大，好像有一个房间那麼大？上面有那麼多的坑洞，好像有一百多个…！哦，不，慢慢数，好像有一千多个坑洞…。」「哇，旁边这一台口径大的更厉害，看到的细节更多，数一数至少有一万多个坑洞，简直像是到了月球去实地游览一样，又好像是太空人快要登陆月球以前所看到的景象；那是我以前看太空剧场的时候看到的影片，现在居然从望远镜里面亲眼看见了！」「怎麼可能；今天晚上满天都是云，根本就看不到几颗星，怎麼透过望远镜变成满天都是星，密密麻麻的？」「土星到底在那里，刚刚照著你们所指的方向，看到了一颗土黄色的、小小的星，你们说那是土星，可是现在被云层遮住了，眼睛完全都看不见了。咦？为什麼现在从你们的望远镜里看土星，还是看得那麼清楚，难道你们的望远镜能穿过云层吗？」「那是昴宿星团吗？是七姊妹星团吗？哇，真的有七、八颗大星星，连中间、旁边比较小的星星也算，好像有一百多颗星耶！咦？眼睛看起来只是小小的、糢模糊糊的、淡淡的一小撮，好像只是两、三根手指头大的一点云气，怎麼现在看起来像是在三公尺直径的大圆圈里布得满满的，真是太壮阔、太亮丽、太不可思议了！」「那是英仙座双星团吗？哇！简直就像是在一块深蓝色的绒布大地毯上面铺满了几百颗的各种颜色的钻石，而且层次分明，真是太美、太美、太伟大了！可是用这种小型的双筒镜，看不出什麼名堂，用肉眼更是完全看不见了！」

6 以上所形容的「望远镜所看出来的效果」实在是太棒、太吸引人了，可是到底要多少倍的望远镜才能看到像那样的效果呢？

望远镜所看出来的效果不仅在於「倍数」，更在於「口径」和「精密度」。因为口径愈大的，亮度就愈大，解析度也愈高，就能看清楚天候状况不良、阴霾而黯淡的远方景物，还可以把黯淡的星云和星团看清楚。望远镜的精密度也很重要；精密度不够高，却把放大率加高，反而会把影像弄得又暗又模糊，还不如用低倍的来看，会看得更亮、更清楚也更美。当然，精密度很高的望远镜，倍率提高的时候，所看到的景物细节就更多，就更精采了。

7 望远镜的「口径」和「精密度」会影响到它的解析度；那麼，我们要买好看的、效果很好的望远镜，就要买口径很大的、精密度很高的，那不是变成很巨大、很重、很不方便而且价格很昂贵吗？

望远镜通常可以分成以下四型：
（一）、手持式双筒望远镜。
（二）、单筒式赏鸟镜。
（三）、巨型双筒望远镜。
（四）、单筒天文望远镜。
依以上四种不同的用途，所要求的「口径」和「精密度」也不同，当然价格也不同了。

8 以「手持式双筒望远镜」来说，到底要买到什麼水准、什麼价位的才合适呢？

一般手持式双筒望远镜又可以细分为以下四型：
（一）标准口径之双筒望远镜，像7×50mm，7×35mm，8×40mm，10×50mm，12×50mm，20×60mm的都很合适。一般来说，7×50mm的是天文观星必备之利器，也是全天候观景、赏鸟的佳品，因为亮度最亮，也看不出什麼色差来，所以解析度很好；当然有一般的机种和高级的机种，价格从2,000元到5,000元的都有。10×50mm或12×50mm的，在看风景和赏鸟的时候看得比较清楚，但是要选比较好的品牌，不然会看见色差，解析度就变差了。像20×60mm的可以看比较远的风景、比较小的目标，手持仍算方便；不过手要拿得很稳，不然会有影像幌动的情形，就看不清楚了。若是不习惯，可以加上小型的照相机三脚架，就会变得很稳、看得很清楚。有些比较老练的人，可以用20×80mm的甚至20×100mm的，虽然价格比较贵，但是能感受到大口径的威力和视觉美，却是值得的（以上两型可以手持，也可以用三脚架固定著来看，是两用的）。
（二）袖珍型之双筒望远镜，像7×25mm，8×20mm，8×25mm，10×25mm，12×25mm，10×30mm等都很合用。体型轻巧、优美、方便，若是精密度高，解像品质也不错。因为品牌和品质的差别，从1,000元到10,000元的都有。
（三）标准口径之变倍率双筒望远镜，像7-15×35mm，8-20×50mm，10-30×50mm，10-40×50mm，15-60×63mm，15-80×70mm等，只要买品质好的、精密度高的都很合用。因为是变倍率的，所以在最低倍时最亮、影像也最清晰，所看见的目标范围也最大；在最高倍时目标范围最小，但是在视觉上却是影像最大、最超广角的画面（这时候要用三脚架固定著来看，也要看天候、照明的程度和目标的远近，不一定要调到最高倍，否则会变成太暗而且色差严重、解像模糊）。
（四）袖珍型之变倍率双筒望远镜，像8-20×25mm，8-25×25mm，10-30×25mm，9-25×25mm，10-50×30mm，只要精密度够高、用法得当，就变成很方便、功能很强、很好玩的望远镜了。

9 如果我买的是7×50mm的双筒望远镜，可以看到什麼样的果效？10×50mm的可以看到什麼样的果效？20×80mm的可以看到什麼样的果效？

（一）7×50mm的双筒望远镜的「集光量」是肉眼的100倍[（50／5）2]至625倍[（50／2）2]（一般人的瞳孔直径是5mm至2mm），所以可以看见许多肉眼所看不见的星星，观赏目标的「亮度」是肉眼的12.8倍[（50mm ÷7÷2mm）2]，所以可以看清阴霾天候下的远方景物以及在黑暗无光的角落里隐藏的东西。可以看清150公尺至250公尺之外人的面目五官。
（二）10×50mm的双筒望远镜的「集光量」是肉眼的100倍[（50／5）2] 至625倍[（50／2）2] ，观赏目标的「亮度」是肉眼的6.3倍[（ 50mm ÷10÷2mm）2] ，可以看见清新、亮丽的远方景物，大约是肉眼感觉直径的2至3倍大小。可以分辨250公尺至400公尺之外人的面目五官（一般肉眼可以分辨40公尺之外人的面目五官），2,000公尺远的山上的每一棵树木、远离海岸边4公里外的几十条渔船或者轮船，以及月球上较大的火山口、几个称为「海」的低洼地形等。
（三）20×80mm 的双筒望远镜的「集光量」是肉眼的256倍[（80／5）2]至1,600倍[（80／2）2]，在观赏天文时功能更大，可以看见更多的星星以及部份的星云和星团。观赏目标的「亮度」是肉眼的4倍，可以看清更远景物的细节，大约是肉眼感觉直径的3至6倍。可以分辨400公尺至800公尺之外人的面目五官（要看光学设计上「消色差」的程度）；看月球上的陨石坑和火山口以及「海」就清楚许多了。若是看木星和它的四大卫星、土星和它的光环，虽然比较小，也能够看得出来。

10 所谓8×25mm、10×25mm、10×50mm、30×50mm、20×60mm 等的标示到底是什麼意思？为什麼两种不同的单位要相乘呢？

前面的数字是「放大率」，后面的数字是物镜「口径(即直径)」单位是公厘（mm）。比如说：8×25就是放大率8倍，物镜口径25mm；10×50就是放大率10倍，物镜口径50mm；15-60×63就是放大率可以从15倍无段变倍率至60倍，而物镜口径是63mm。因为望远镜的「放大率」愈大就看得愈清楚（要在精密度容许的范围内）；同样倍率时，「口径」愈大也看得愈清楚，所以前、后两个单位要相乘而不是相加，以显示该望远镜的解析能力。
11 另外，像10×50CR、10×25CF、7×50ZCF、10×50ZWCF、10×25IR、7×35CF RA、8×42DCF HP、15-80×70BCF等，后面的英文字母型号代表什麼意思？

英文字母的型号，有时候在不同的厂牌里有不同的意义，大致上容易辨识的是以下这些：
(1) CF：中央调焦
(2) ZCF：传统波罗稜镜左右展开型、中央调焦
(3) ZWCF：比第（2）项多一个「超广角」（W）
(4) CR：迷彩色橡胶外壳
(5) BR：黑色橡胶防震外壳
(6) BCF：黑色、中央调焦
(7) BCR：偏黑色迷彩橡胶外壳
(8) IR：铝合金轻巧外壳
(9) IF：左右眼个别调焦
(10) WP：内充氮气防水型
(11) RA：外附橡胶防震保护
(12) D：德式稜镜、屋顶稜镜（直筒式）
(13) HP：高眼点
(14) SP：超高解析度
(15) ED：超低色差镜片
(16) AS：非球面镜片
(17) ZOOM：可变倍率伸缩镜头
(18) WF：广角视野。

12 望远镜的目镜和物镜上的镀膜有各种颜色，有的好像有很多层的镀膜，那是什麼效用？如何分辨品质的优劣？

望远镜的目镜和物镜上，每一片玻璃面上都要有镀膜（Coating），而且要有很多层的镀膜（Multi-Coated），是为了防止光线在镜片上面反射的漫射光造成的薄雾般的白茫茫现象，使透光率加强，色彩的对比度、鲜明度增加；所以镀膜愈多层、愈深、愈厚的，观赏效果愈好。传统的镀膜只有一层，是蓝色的，或者是蓝紫色的；后来愈来愈进步了，有的镀成红色、蓝色、绿色、蓝紫（靛）色、红紫色、橙黄色的五层颜色，这是品质最高的。有的在某一种颜色上重覆镀膜，或者偏重在某一种颜色上，就产生了所谓的红宝石色镀膜（Ruby-Coated），这是为了简便的消除红色的色差，并且能够抗紫外线。另外还有偏蓝紫色或者偏绿色的，可以消除蓝色或者绿色的色差。另外还有偏橙黄色的，可以消除橙色的色差。但是，这种消色差的方法都是辅助性质的；真正的消色差还是要从物镜的组合方式、焦比度和使用低色散的玻璃著手。

13 望远镜里面所使用的稜镜也会影响到解像的品质吗？

用大型稜镜的，亮度就增加。稜镜的每一个平面和稜角的精准度加高，也会使解像力增加。稜镜上面的镀膜也是愈厚愈好。另外，稜镜所使用的玻璃的折射率愈低，亮度愈高，色差也愈低；像使用BAK－4的稜镜就比一般的BAK－7稜镜要好。

14 望远镜有超广视野（超广角）的，看起来场面浩大、又亮又舒服；但是也有的像场周边会产生影像模糊、扭曲变形或色差严重的现象，到底如何取舍？

双筒望远镜的标准「目镜视野角度」(Field)应该是50度，所以在7倍时，目标的视野角度（Field）就是7.1°；在10倍时，Field就是5°，通常使用的是K式目镜（二群三枚），因为倍率低，周边的色差和像差不易察觉。有的10倍双筒镜，标示Field是7°，那就是70°超广角，应该使用三群五枚的Er式目镜，或是使用更高级的四群六枚的目镜；这样，周边的色差和像差就会降低。当然，目镜愈高级的望远镜，视野看起来愈舒服、愈美，价格也就愈昂贵了。有的望远镜的视野标示是96M／1000M，就是等於Field 5.5 °；87M／1000M，就是等於Field 5°，其倍率是12倍，则「目镜视野角度」是60°，也是广角目镜。直接用公尺或英尺标示的方式是为了容易辨识目标的大小或者由目标的大小来推算距离比较方便。

望远镜的前面有一块直径大、焦距长的凸透镜，名叫物镜；后面的一块透镜直径小焦距短，叫目镜。物镜把来自远处景物的光线，在它的后面汇聚成倒立的缩小了的实像，相当于把远处景物一下子移近到成像的地方。而这景物的倒像又恰好落在目镜的前焦点处，这样对着目镜望去，就好象拿放大镜看东西一样，可以看到一个放大了许多倍的虚像。这样，很远很远的景物，在望远镜里看来就仿佛近在眼前一样。

就是小孔成像的翻版。光路图中可以看出，当物体的光经过光心的时候，完全就能将光心看作一个小孔，然后像就成在焦点平面处，
之后目镜就对这个像进行放大，因为目镜的焦距比物镜小，所以像通过目镜光心的时候视角就比物体通过物镜的时候所成的夹角更大，从而增大了视角，达到将远处物体放大的目的。