加膜鏡片更清晰

對(duì)于由光學(xué)玻璃制作的望遠(yuǎn)鏡鏡片來(lái)說(shuō)，防止光線反射和透光率過(guò)低是十分重要的一項(xiàng)任務(wù)，解決的辦法就是在透鏡上鍍膜。經(jīng)過(guò)鍍膜的保護(hù)，望遠(yuǎn)鏡看到的影像更加明晰。

當(dāng)伽利略于1609 年將自制的望遠(yuǎn)鏡指向浩瀚天穹時(shí)，他那架口徑4.2 厘米、長(zhǎng)約1.2 米的新玩意，讓他看到了前所未有的天文景觀。與喜悅同在的是煩惱，因?yàn)檫@架只簡(jiǎn)單采用平凸透鏡作為物鏡、凹透鏡作為目鏡的望遠(yuǎn)鏡，有著嚴(yán)重的色差問(wèn)題，使他觀測(cè)到的天文景觀和實(shí)際存在一定的差距。

與伽利略有同樣煩惱的還包括大名鼎鼎的開(kāi)普勒，盡管在伽利略的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改良，用兩片雙凸透鏡分別作為物鏡和目鏡，使視野有了明顯的增加，但望遠(yuǎn)鏡色差的問(wèn)題還是沒(méi)有解決。

最終解決伽利略和開(kāi)普勒煩惱的，卻是小小的膜片。

色差消除進(jìn)化史

望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明可謂十分偶然。荷蘭眼鏡商人李波爾賽1608年在制造眼鏡鏡片的時(shí)候，把一塊凸透鏡和一塊凹透鏡合在一起往外看，驚喜地發(fā)現(xiàn)可以看清遠(yuǎn)處的景物。受此啟發(fā)，他制造了人類歷史上第一架望遠(yuǎn)鏡。不過(guò)第一個(gè)按照科學(xué)原理制造望遠(yuǎn)鏡的人，是伽利略。他通過(guò)對(duì)折射原理的研究在不斷的研制和試用中，最終發(fā)明世界上第一架能放大32 倍的望遠(yuǎn)鏡。

伽利略發(fā)明的這種伽利略式望遠(yuǎn)鏡，和后來(lái)的開(kāi)普勒式望遠(yuǎn)鏡，都屬于折射式望遠(yuǎn)鏡。所謂折射式，就是一種使用透鏡做物鏡，利用屈光成像的望遠(yuǎn)鏡。折射望遠(yuǎn)鏡最初的設(shè)計(jì)是用于偵查和天文觀測(cè)，不過(guò)在雙筒望遠(yuǎn)鏡、長(zhǎng)焦距的遠(yuǎn)距相機(jī)鏡頭中也比較常見(jiàn)。“一般家庭所用的天文望遠(yuǎn)鏡，都是折射式的，因?yàn)樗鼣y帶和操作起來(lái)都比較方便。”博冠望遠(yuǎn)鏡的一名銷售人員介紹說(shuō)。

不過(guò)，早期的折射式望遠(yuǎn)鏡都比較笨重。因?yàn)椴捎脝蝹€(gè)透鏡作為物鏡，存在嚴(yán)重的像差和色差，并不能成一個(gè)透鏡理論中所講的和實(shí)物一模一樣的像。像差會(huì)使得圖像邊緣看不清楚，因?yàn)闊o(wú)法在一個(gè)平面內(nèi)成像，這稱為球面像差，也會(huì)使成像變形猶如哈哈鏡，稱為畸變。而且由于不同波長(zhǎng)的光折射率不一樣，成像會(huì)像三棱鏡一樣產(chǎn)生彩虹色，雖然好看，但是對(duì)于成像卻不是好事，這稱為色差。透鏡的曲率越大，焦比越短，像差和色差越嚴(yán)重。所以為了獲得好的觀測(cè)效果，就需要用曲率非常小的透鏡，也就意味著要盡可能制造擁有很長(zhǎng)鏡身的長(zhǎng)焦比望遠(yuǎn)鏡。19世紀(jì)末就出現(xiàn)了一個(gè)制造大口徑折射望遠(yuǎn)鏡的高潮，世界上現(xiàn)有的8 架70 厘米以上的折射式望遠(yuǎn)鏡有7架是在1885 年到1897 年期間建成的，其中最有代表性的是1897 年建成的口徑102 厘米的葉凱士望遠(yuǎn)鏡和1886 年建成的口徑91 厘米的里克望遠(yuǎn)鏡。

其實(shí)能夠消除像差和色差的雙合透鏡，早在18 世紀(jì)初就有人制成了，它利用兩塊折射率不同的玻璃，把不同波長(zhǎng)的光匯聚到同一點(diǎn)上。兩塊透鏡會(huì)有4 個(gè)表面，會(huì)讓反射光增加，但是還不很明顯。到了20 世紀(jì)，APO（復(fù)消色差）折射式望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)。它至少采用3 片透鏡來(lái)獲得消色差的圖象。但是早期APO 的最大問(wèn)題還是光線的損失，后來(lái)德國(guó)的卡爾蔡司和阿爾文#8226; 克拉克以及美國(guó)的桑斯采用一種稱為“油分隔（用油作為透鏡之間的介質(zhì)）”的技術(shù)，改善了這個(gè)問(wèn)題。 然而直到二戰(zhàn)時(shí)期的新技術(shù)研發(fā)，APO 透鏡的設(shè)計(jì)才有了大改進(jìn)，氟化鎂鍍膜技術(shù)被廣泛用于透鏡，色差的煩惱才基本消失。

神奇的膜片

目前雙筒望遠(yuǎn)鏡鏡片與棱鏡設(shè)計(jì)的組合都在 7 到12片不等，每片有兩面與空氣接觸的光學(xué)面，光線要經(jīng)過(guò)這么多的鏡片反射與干擾。如果這些光學(xué)表面未經(jīng)任何處理，以折射率為1.5 的鋇冕光學(xué)玻璃為例，前表面反射光約為4%，后表面的反射光約為3.8%。在不考慮吸收的情況下，透光率為92.2%。如果有六個(gè)透鏡，將有50% 或者更多的光線被反射。

為了讓我們能夠觀測(cè)到明晰的影像，就要減少無(wú)謂的反射，同時(shí)增加光學(xué)玻璃鏡片的透射率。現(xiàn)代的折射望遠(yuǎn)鏡在各光學(xué)表面都鍍有單層或多層增透膜，目的就是為了“減反增透”。 減反增透是一項(xiàng)聯(lián)系緊密但相互獨(dú)立的工作，即使不增透也要減反，因?yàn)榉垂鈴?qiáng)會(huì)使成像灰暗，更主要的是鏡片表面和鏡筒內(nèi)鏡片間的反射會(huì)形成的嚴(yán)重眩光和重影，降低景物的對(duì)比度并干擾觀察。

為什么在玻璃的表面鍍上一層?xùn)|西不會(huì)阻擋光線反而增強(qiáng)透射呢？因?yàn)樵谀ど舷卤砻娴姆瓷涔猓驗(yàn)榛ハ喔缮娑跋А绷恕８鶕?jù)光的干涉理論，兩個(gè)頻率、振幅和方向都相同的光束會(huì)發(fā)生干涉。如果位相相差半波長(zhǎng)的偶數(shù)倍，光的強(qiáng)度會(huì)增加；而位相差半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，它們會(huì)互相抵消。只要在光學(xué)玻璃上貼上一層鍍膜，厚度等于膜中光波長(zhǎng)的1/4，它上下表面的反射光就會(huì)相差1/2 的相位，因此相互干涉抵消，減少了反射光的量。

對(duì)于一束射入光學(xué)玻璃的光來(lái)說(shuō)，要完全消除反射光，鍍膜的折射率必須是光學(xué)玻璃折射率的平方根以便它上下表面的反射光強(qiáng)度相等，可以完全互相抵消。一塊折射率為1.5 的光學(xué)玻璃，其最理想的鍍膜折射率為1.22，但技術(shù)還達(dá)不到絕對(duì)沒(méi)有反光，現(xiàn)在一般都用折射率為1.38 的氟化鎂制單層減反增透膜，因而仍有約1.3% 的剩余反射，但對(duì)于折射率較高的光學(xué)玻璃，單層氟化鎂已能達(dá)到較好的減反增透效果。

由于單層減反增透膜不能完全消除反射，有時(shí)剩余反射量仍比較大，必須進(jìn)一步減少，所以就有了雙層或多層減反增透膜的出現(xiàn)。比如用雙層Ｖ形增透膜，用第一層鍍膜控制鏡片的反射率，第二層鍍膜改善光透射率，效果就比使用單層減反增透膜好很多。

Tips

● DIY 一臺(tái)天文望遠(yuǎn)鏡

DIY 天文望遠(yuǎn)鏡的書(shū)有很多，比如《怎樣自制天文望遠(yuǎn)鏡》。不過(guò)有發(fā)燒友用老花眼鏡也DIY 了一架，一起瞧瞧他的制作：

材料：

100 度老花鏡片1 個(gè)；50mmPVC 管一個(gè)，長(zhǎng)度1 米；現(xiàn)成的天文望遠(yuǎn)鏡目鏡一個(gè)，也可以是顯微鏡的目鏡；飲料罐1 個(gè)；紙板、膠帶、雙面膠等等 。

過(guò)程：

1. 將飲料罐的上下剪開(kāi)，下面口全部剪掉，上面口剪出直徑50mm；

2. 老花鏡片的外徑為65mm，PVC 管外徑為50mm，所以用紙做兩個(gè)外徑65mm 內(nèi)徑50mm 的圓環(huán)，用雙面膠貼住；

3. 將2 個(gè)紙板做的圓環(huán)上下粘貼在老花鏡上，即做固定鏡片用，又做遮擋邊緣光線用；

4. 將圓環(huán)粘貼好的鏡片放入飲料罐內(nèi)，從底部放入，鏡片凸面朝罐底部，（放的時(shí)候需要積壓底部邊緣，直接放不進(jìn)去）；

5. 將50mmPVC 套入飲料罐口，物鏡部分基本制作完成；

6. 拿來(lái)一些紙板，卷成筒狀，包住目鏡，并放入PVC 管另一頭，一個(gè)簡(jiǎn)單的天文望遠(yuǎn)鏡制作完成；

7. 紙板卷筒部分可以滑動(dòng)，當(dāng)成簡(jiǎn)單的調(diào)焦筒，最后可以做一些美化工作，比如外表噴漆，還可以做一個(gè)支架便于架設(shè)和觀星。( 部分資料源自牧夫天文網(wǎng))

● 藍(lán)膜和紅膜

對(duì)于選擇550nm 波長(zhǎng)的膜系而言，由于有較多的紅光和更多的藍(lán)光反射，所以鏡頭反光呈藍(lán)紫色。由于玻璃吸收和鏡頭反射成像一般偏黃，常見(jiàn)于重視透光效率而對(duì)色彩還原要求不嚴(yán)的軍民用光學(xué)儀器和黑白像機(jī)、老式望遠(yuǎn)鏡等。這種鍍膜一般叫藍(lán)膜。

為了補(bǔ)償光學(xué)玻璃對(duì)于短波光的吸收，現(xiàn)代光學(xué)儀器一般選擇480 ～ 520nm 的藍(lán)綠色光作中心波長(zhǎng)，對(duì)于選擇綠光高頻段（青綠光）作為中心波長(zhǎng)的鏡頭鍍膜、全表面鍍膜和雙層窄帶型鍍膜，此時(shí)，鏡頭反射較多的藍(lán)光和更多的紅光，呈暗紫紅色。這種鍍膜一般叫紅膜。

● 望遠(yuǎn)鏡的種類

天文望遠(yuǎn)鏡的綜合品質(zhì)主要由光路結(jié)構(gòu)、鏡頭品質(zhì)、鏡筒結(jié)構(gòu)精度、臺(tái)架功能及穩(wěn)固性、功能附件、人性化設(shè)計(jì)幾方面來(lái)保證，根據(jù)光路結(jié)構(gòu)的不同，天文望遠(yuǎn)鏡可分為三類，即折射式、反射式及折反射式，三類結(jié)構(gòu)各具特色：

折射式：折射式天文望遠(yuǎn)鏡具有成像清晰銳利、攜帶操作便捷、品質(zhì)穩(wěn)定、便于維護(hù)等特點(diǎn)，但折射式光路通過(guò)透鏡會(huì)產(chǎn)生色差，不過(guò)采用消色差設(shè)計(jì)的物鏡組可將色差控制在較好的范圍，還有就是大口徑折射式物鏡對(duì)材料要求、精度要求高，制造成本也高。

反射式：反射式天文望遠(yuǎn)鏡的特點(diǎn)是沒(méi)有色差、制造成本低、口徑可做的更大等特點(diǎn)，但有球差。使用中需要經(jīng)常調(diào)試光軸，不易維護(hù)，體積大攜帶操作不便，最大缺點(diǎn)是主物鏡反射膜容易氧化，一般3 ～ 5 年需送回廠家重新鍍膜。

折反射式：折反射式天文望遠(yuǎn)鏡綜合了折射式和反射的優(yōu)點(diǎn)，但仍有需要調(diào)試光軸、不易維護(hù)等缺點(diǎn)。焦距長(zhǎng)視場(chǎng)小，不太適合地面觀測(cè)，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜往往廠家裝配調(diào)試難以達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，而且制造成本高。

( 部分資料源自牧夫天文網(wǎng))