我离月亮最近的地方，是在望远镜里

春天，万物复苏，大地披上了绿衣；夏天，在碧绿的池塘上，总能看到一朵朵荷花娇俏的站立在水面，才有了“接天莲叶无穷碧，映日莲花别样红”的美景存在；秋天，秋高气爽，田野上波动着金色麦浪；冬天，万物银装素裹。不同时节大自然都在以独特的方式向人们展现它的美。

一、人是如何看到物体的？

我们能看见这五彩缤纷的大千世界，完全得益于人体的视觉器官——眼睛。要想了解人眼如何成像那我们需要先知道人眼的结构。从外面观察，我们眼睛有眼白和眼珠两部分，其中黑色的眼珠最外面是一层薄薄的透明角膜，角膜内有透明的液体叫房水，房水后面又有个有弹性、可调节曲度的晶状体，晶状体的后面还有透明的胶状物叫玻璃体。它们都是能透过光线的。包裹它们的是三层膜，最里面的一层叫视网膜，上面有许多感光细胞，可感受光的刺激。中间一层叫脉络膜，上面有许多色素，它的作用是使眼球里面保持黑暗（像照相机的暗房一样），以免漏过其他光线而影响视觉。最外面的一层叫巩膜，也就是我们看到的眼白，上面有许多血管神经，有保护和维持眼球形态的作用[1]。当物体上的光线透过角膜、房水、晶体、玻璃体时，被折射聚焦到视网膜上成一倒立的像，而视网膜上的感光细胞受到光线的刺激，产生冲动，由视觉神经传到大脑即形成了视觉，也就是我们平时所说的看见东西啦。

图1 眼球解剖结构

眼球成的像是一个倒立的像，这个像在我们大脑的调节作用下最终变成正像。

图2 人眼成像

人眼可以看到物体，从理论上讲通过肌肉对晶状体的曲率调节人眼可以看到0到无限远的物体，但是人眼分辨物体的能力以视角和亮度来衡量，也就是说，这个物体的光到达人眼时还需要有一定的夹角，人眼才能看到；同时还必须具备一定的亮度，这样人眼才能够感知。总结一下就是，物体的体积和亮度越大，能看到它的距离就越远；反之物体的亮度和体越小，能看到它的距离就越近。

同一物体对于眼睛的张角，会随着离眼睛距离的增加而减小。例如在日常生活中，我们会观察到路上行驶车辆的车牌，会随着车辆驾驶远离由最初看到的清晰车牌到只能看到轮廓，最终变为一团模糊的过程。

图3 人眼不同距离成像情况

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，那就需要借助这个时代的千里眼——望远镜。

二、望远镜的出现

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的清晰可辨。

望远镜的历史可以追溯到17世纪，关于望远镜的发明有很多种说法，其中一种是这样描述的：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，两人兴高采烈。汉斯·利伯谢非常好奇，于是也拿起两片透镜组合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[2]。

图4 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[3]。有意思的是，这种科学设备我们却经常在许多场所看到它的身影。不管你相信也好，怀疑也罢，望远镜一直以来都是最为重要的科学仪器之一。

三、望远镜的分类

介绍完望远镜的发展历史和对人类的意义，那么接下来我们就来聊聊望远镜的分类。

望远镜一般分为三种[4]

1、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伽利略望远镜；使用凸透镜作目镜的称开普勒望远镜。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，所以一般只用做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5 伽利略型望远镜结构及成像原理

图6 开普勒型望远镜结构及成像原理

2、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7 牛顿望远镜

图8 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。但是为了减小其它像差的影响，导致可使用的视场较小。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的困难，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。

3、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，这样不仅可以避免困难的大型非球面镜的加工，又能获得良好的成像质量。比较著名的是1931年被德国光学家施密特发明的施密特望远镜，其结构是在球面反射镜的球心位置处放置一施密特非球面透镜，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9 施密特望远镜

还有一种较为著名的折反式望远镜为1941年由前苏联光学家马克苏托夫（Maksutov）制成的马克苏托夫望远镜。其结构是在球面反射镜前面加一个负弯月型透镜，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。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，光力强，视场广阔，像质优良。在应用方面折反望远镜适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。

图10 马克苏托夫望远镜

四、正像系统

通过开普勒望远镜看到的是物体的倒像，为了便于观察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在同一轴上，而保罗棱镜反转后的图像与反转前图像处在不同轴上，所以导致系统结构不够紧密。

我们先来看看这两种正像系统的结构：

别汉棱镜系统由两个被空气隙分离的玻璃棱镜组成，多次的全反射造成影像在垂直方向的翻转，在第二个棱镜的"屋顶" 将影像做了侧向的翻转，一起导致影像180°的旋转。图为徕卡的望远镜，使用的正像系统就是别汉棱镜系统。

图11 别汉棱镜系统

保罗棱镜系统是由玻璃块塑造成的等腰直角三棱镜，末端平面对着直角。在使用上，光线由三棱镜中最大的长方形面进入，经过斜面的两次全反射，再穿透原来的入射平面射出。因为光线只是以正常的状态进出，三棱镜并未发生色散的作用。但是经过保罗棱镜的影像会被翻转180°，并且会向原来进入的方向行进，也就是行进的方向也改变了180°。

图12 保罗棱镜系统

五、使用多轴笼式结构搭建望远镜

我们日常见到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，往往给人一种神秘感，但当它的神秘面纱被揭露的时候你会感慨原来望远镜不过就是几块镜片组成的。

使用多轴笼式结构搭建的开普勒望远系统，可以直观的看到望远镜的内部结构，并且可以在理解望远镜的成像原理以及相关光学知识的前提下，使用多轴笼式光机械件和光学元件如同搭建积木的方式搭建DIY望远镜。

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，系统中的光学元件同轴，结构简洁紧凑，在教学和科普中可直观的观察到光学现象的同时也可将别汉棱镜系统的作用展现出来，通过移动物镜或者目镜来观测不同距离的景物。

图13 使用锐光凯奇（*RayCage）多轴笼式结构搭建的别汉棱镜系统结构的开普勒望远系统

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多轴笼式结构搭建的显微镜中达到反转图像的效果。

图14 使用锐光凯奇（RayCage）多轴笼式结构搭建的保罗棱镜系统结构的开普勒望远系统

望远镜的发明改变了我们观察宇宙的方式，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。此篇文章只是简单的介绍了望远镜的简单的知识，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。在这里锐光凯奇公司也只是使用多轴笼式结构搭建了简单的开普勒望远镜，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，去“拥抱”星星月亮！

参考文献

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

2.华庆富. 看得更远，看得更清——望远镜与显微镜[J]. 今日中学生,2019(35):20-22.

3.苏定强.望远镜和天文学:400年的回顾与展望[J].物理,2008(12):836-843.

4.夏雄平.光学望远镜的发明和演变[J].发明与创新(学生版),2007(04):12-13.

创作者：陈庭效 锐光凯奇（镇江）光电科技有限公司,中国仪器仪表学会青少年光科学（镇江）主题科普教育基地

（备注：本文为中国仪器仪表学会开展的“身边的仪器仪表及仪器仪表科技工作者”科普创作征集活动投稿作品）

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