简易望远镜的制作

【论文关键词】：显微镜；望远镜；折射；反射；物镜；目镜；实像；虚象
　　
　　【论文摘要】：综合分析了望远镜的功能结构和成像原理。指出常见的望远镜可简单分为伽利略、开普勒、和牛顿式望远镜。并以开普勒望远镜为例介绍简易望远镜的制作方法。
　　
　　我们在观察细小物体时，总是习惯上把物体移得离眼睛近一些，这样可以增大视角。但是这种方法是有一定限度的。当物体移到近点以后，就不能再用这种方法来增大视角了。另外，在观察比较远的物体时（例如宇宙天体），由于它们到人眼的距离是无法缩短的，因而上述方法就不能再适用了。人类要想观察到很小或很远的物体时，为了增大视角，就需要使用显微镜和望远镜来扩大人眼的视觉范围。它们的光学系统十分相似，都是由物镜和目镜两部分组成。文章只讨论望远镜的有关内容。
　　
　　一、望远镜的作用
　　
　　望远镜是一种观察远处物体通常呈筒状的光学仪器,利用通过透镜的光线折射或光线被凹镜反射使之进入小孔并会聚成像,再经过一个放大目镜放大成像的光学仪器。就实质来说，望远镜只不过是扩大人眼的视角范围。最初它最大的用处是观察天体，人类借助望远镜几乎考察遍了太阳系所有的行星，并投向更遥远的太空。望远镜延长了人眼的视线，实现了人类千里眼的梦想。如今，望远镜的使用越来越普遍，野外观察、剧场观看……潜望镜、瞄准镜等也都采用了望远镜的原理。
　　
　　二、望远镜的结构
　　
　　简易天文望远镜由物镜、物镜镜筒、目镜、目镜镜筒等组成。最简单的望远镜由两片镜片组成，物镜为凸透镜或凹镜，目镜可以是凸透镜，也可以是凹透镜。中央比边缘薄的是凹透镜，用来纠正近视；中央比边缘厚的是凸透镜，用来纠正远视。常见望远镜可简单分为伽利略，开普勒，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。一般为民用或儿童玩具用放大倍数通常为3～12倍。开普勒望远镜由两个凸透镜构成。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，所以目前军用小型天文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。反射望远镜该类镜最早由牛顿发明，其物镜是凹面反射镜，没有色差，而且将凹面制成旋转抛物面即可消除球差。凹面上镀有反光膜，通常是铝。反射望远镜镜筒较短，而且易于制造更大的口径，所以现代大型天文望远镜几乎无一例外都是反射结构。
　　
　　三、望远镜成像原理
　　
　　望远镜之所以能看见很远的物体，主要是内部核心部件透镜对光线的折射作用而形成的。以开普勒望远镜例，当远方天体发出的平行光线经过物镜后，在物镜焦点外距焦点很近的地方，得到天体的倒立、缩小的实像。目镜的前焦点和物镜的后焦点是重合在一起的，所以实像位于目镜和它的焦点之间离焦点很近的地方。所成实像对目镜来说物体，再经过目镜成像为一正立放大的虚像。这样，当我们对着目镜进行观察的时候，所看到的是天体的倒立、放大的虚像。
　　
　　四、望远镜的制作
　　
　　17世纪初的一天，荷兰小镇的一家眼镜店的主人利伯希，为检查磨制出来的透镜质量，把一块凸透镜和一块凹镜排成一条线，通过透镜看过去，发现远处的教堂塔尖好像变大拉近了，于是在无意中发现了望远镜的秘密。下面我们主要讲述开普勒望远镜的制作方法。
　　
　　设计简易天文望远镜，有四个指标是需要认真考虑的。
　　
　　（一）放大率望远镜的放大率M等于物镜焦距F同目镜焦距f比：M=F/f。物镜的焦距越长，目镜的焦距越短，望远镜的放大率就会越大。一般来说，目镜的焦距不能太短，否则会产生严重的像差。物镜的焦距也不能太长，否则在望远镜里看到的天空范围太窄小。也就是说望远镜的放大倍数要适中才好，个人使用的小型手持式望远镜不宜使用过大放大倍率，一般以3～12倍为宜，倍数过大时，成像清晰度就会变差，同时抖动严重。超过12倍的望远镜一般使用三角架等方式加以固定。
　　
　　（二）相对口径。相对口径是反映望远镜聚光本领的指标。相对口径A等于口径D同物镜的焦距F的比：A=D/F。相对口径大，在望远镜里看到的天体就明亮；相对口径小，在望远镜里看到的天体就灰暗。
　　
　　（三）视场。视场是指在望远镜里看到的天空范围。如果用望远镜观看天空，那么所看见的天空部分的角直径叫做望远镜的视场。用ω表示。对同一架望远镜来说，视场同目镜的焦距有关，一般来说，物镜的焦距越长，放大率就越大，但视场会越小，看到的天空范围就会越窄小。视场太小，在望远镜里寻找要观测的天体会很困难。
　　
　　（四）分辨角。望远镜的分辨角，指的是其像点刚刚能够分辨开的个点的角距离。
　　
　　明白了望远镜原理及要求，我们很容易制作一台简易的望远镜。制作方法具体如下：
　　
　　1．选择物镜和目镜。物镜安装在转换器的孔上，由一组透镜组成的，能够把物体清晰地放大。目镜是插在目镜筒顶部的镜头，也由一组透镜组成，可以使物镜成倍地分辨、放大物像。买来的物镜测定焦距，把物镜对着太阳，在镜片的另一侧放张白纸板，前后移动白纸板，使太阳在白纸板上成像清晰。用直尺量出镜片到白纸板的距离，这个距离就是镜片的焦距。在光具座上的透镜支架上放上两个焦距不同的凸透镜。焦距较大的透镜作物镜，焦距较小的透镜作目镜，并使两镜相隔一定距离，并从目镜中观察成像的情况，然后改换物镜的焦距，直到看见合适的放大图象。
　　
　　2．设计镜筒。为了便于调节焦距，镜筒可做成两节，一节是物镜镜筒，一节是目镜镜筒。它们都用黄纸板（马粪纸）制作。物镜镜筒的直径约等于物镜的直径，物镜镜筒的长度约等于物镜的焦距。目精镜筒的直径约等于目镜的直径，目镜镜筒的长度比目镜焦距长50~80毫米。目镜镜筒的外径等于物镜镜筒的内径，使得目镜镜筒既能插入物镜镜筒，又能贴得比较紧，便于前后调节焦距。
　　
　　3．物镜镜筒的制作。用长度稍长于物镜焦距、直径约等于物镜直径的圆管做芯柱。物镜镜筒用黄板纸条卷绕两三层制作。先把黄板纸切成70~80毫米宽的纸条。把做最里层的黄板纸条一面涂上墨，等墨干透后再制作镜筒。注意墨面朝里，以消除杂散光。并要求纸条一圈紧挨一圈，不能有间隙，也不能重叠。在镜筒的两端和纸条的接头处，要用涂有浆糊或胶水的牛皮纸固定好。第一层卷好后，在外面涂上浆糊或胶水，然后卷绕第二层。注意第二层的卷绕方向和第一层相反。依次类推一般卷三层黄板纸就足够了。镜筒的最外面糊上一层牛皮纸。镜筒卷好后稍晾一会把芯柱抽出，然后竖直放在室内晾干。镜筒卷得比需要稍长一些，卷好晾干后再用锋利的刀截成需要的长度。
　　
　　4．目镜镜筒的制作。用直径约等于目镜的圆管做芯柱。目镜镜筒的卷绕方法同物镜镜筒基本相同，但目镜镜筒的外径等于物镜镜筒的内径。当目镜镜筒外径卷绕到已经接近物镜镜筒内径的时候，通过糊牛皮纸来逐渐达到要求。
　　
　　5．镜片的安装。为了把镜片定位，可在镜片上家套筒。在目镜镜筒的末端，加一段卷纸，以免目镜镜筒滑进物镜镜筒。安装镜片要使物镜和目镜的光轴和镜筒的中心线重合。这是制作望远镜的一个难点。调整好之后，把物镜和目镜都固定下来。这样一架简易的望远镜就做成了。