加膜鏡片更清晰

對于由光學玻璃制作的望遠鏡鏡片來說，防止光線反射和透光率過低是十分重要的一項任務(wù)，解決的辦法就是在透鏡上鍍膜。經(jīng)過鍍膜的保護，望遠鏡看到的影像更加明晰。

當伽利略于1609 年將自制的望遠鏡指向浩瀚天穹時，他那架口徑4.2 厘米、長約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，因為這架只簡單采用平凸透鏡作為物鏡、凹透鏡作為目鏡的望遠鏡，有著嚴重的色差問題，使他觀測到的天文景觀和實際存在一定的差距。

與伽利略有同樣煩惱的還包括大名鼎鼎的開普勒，盡管在伽利略的基礎(chǔ)上進行了改良，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，但望遠鏡色差的問題還是沒有解決。

最終解決伽利略和開普勒煩惱的，卻是小小的膜片。

色差消除進化史

望遠鏡的發(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)可以看清遠處的景物。受此啟發(fā)，他制造了人類歷史上第一架望遠鏡。不過第一個按照科學原理制造望遠鏡的人，是伽利略。他通過對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 倍的望遠鏡。

伽利略發(fā)明的這種伽利略式望遠鏡，和后來的開普勒式望遠鏡，都屬于折射式望遠鏡。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鏡。折射望遠鏡最初的設(shè)計是用于偵查和天文觀測，不過在雙筒望遠鏡、長焦距的遠距相機鏡頭中也比較常見?！耙话慵彝ニ玫奶煳耐h鏡，都是折射式的，因為它攜帶和操作起來都比較方便?！辈┕谕h鏡的一名銷售人員介紹說。

不過，早期的折射式望遠鏡都比較笨重。因為采用單個透鏡作為物鏡，存在嚴重的像差和色差，并不能成一個透鏡理論中所講的和實物一模一樣的像。像差會使得圖像邊緣看不清楚，因為無法在一個平面內(nèi)成像，這稱為球面像差，也會使成像變形猶如哈哈鏡，稱為畸變。而且由于不同波長的光折射率不一樣，成像會像三棱鏡一樣產(chǎn)生彩虹色，雖然好看，但是對于成像卻不是好事，這稱為色差。透鏡的曲率越大，焦比越短，像差和色差越嚴重。所以為了獲得好的觀測效果，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鏡身的長焦比望遠鏡。19世紀末就出現(xiàn)了一個制造大口徑折射望遠鏡的高潮，世界上現(xiàn)有的8 架70 厘米以上的折射式望遠鏡有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 厘米的葉凱士望遠鏡和1886 年建成的口徑91 厘米的里克望遠鏡。

其實能夠消除像差和色差的雙合透鏡，早在18 世紀初就有人制成了，它利用兩塊折射率不同的玻璃，把不同波長的光匯聚到同一點上。兩塊透鏡會有4 個表面，會讓反射光增加，但是還不很明顯。到了20 世紀，APO（復消色差）折射式望遠鏡出現(xiàn)。它至少采用3 片透鏡來獲得消色差的圖象。但是早期APO 的最大問題還是光線的損失，后來德國的卡爾蔡司和阿爾文#8226; 克拉克以及美國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)，改善了這個問題。 然而直到二戰(zhàn)時期的新技術(shù)研發(fā)，APO 透鏡的設(shè)計才有了大改進，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

目前雙筒望遠鏡鏡片與棱鏡設(shè)計的組合都在 7 到12片不等，每片有兩面與空氣接觸的光學面，光線要經(jīng)過這么多的鏡片反射與干擾。如果這些光學表面未經(jīng)任何處理，以折射率為1.5 的鋇冕光學玻璃為例，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%。如果有六個透鏡，將有50% 或者更多的光線被反射。

為了讓我們能夠觀測到明晰的影像，就要減少無謂的反射，同時增加光學玻璃鏡片的透射率。現(xiàn)代的折射望遠鏡在各光學表面都鍍有單層或多層增透膜，目的就是為了“減反增透”。 減反增透是一項聯(lián)系緊密但相互獨立的工作，即使不增透也要減反，因為反光強會使成像灰暗，更主要的是鏡片表面和鏡筒內(nèi)鏡片間的反射會形成的嚴重眩光和重影，降低景物的對比度并干擾觀察。

為什么在玻璃的表面鍍上一層東西不會阻擋光線反而增強透射呢？因為在膜上下表面的反射光，因為互相干涉而“消失”了。根據(jù)光的干涉理論，兩個頻率、振幅和方向都相同的光束會發(fā)生干涉。如果位相相差半波長的偶數(shù)倍，光的強度會增加；而位相差半波長的奇數(shù)倍時，它們會互相抵消。只要在光學玻璃上貼上一層鍍膜，厚度等于膜中光波長的1/4，它上下表面的反射光就會相差1/2 的相位，因此相互干涉抵消，減少了反射光的量。

對于一束射入光學玻璃的光來說，要完全消除反射光，鍍膜的折射率必須是光學玻璃折射率的平方根以便它上下表面的反射光強度相等，可以完全互相抵消。一塊折射率為1.5 的光學玻璃，其最理想的鍍膜折射率為1.22，但技術(shù)還達不到絕對沒有反光，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，但對于折射率較高的光學玻璃，單層氟化鎂已能達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，有時剩余反射量仍比較大，必須進一步減少，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 一臺天文望遠鏡

DIY 天文望遠鏡的書有很多，比如《怎樣自制天文望遠鏡》。不過有發(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；50mmPVC 管一個，長度1 米；現(xiàn)成的天文望遠鏡目鏡一個，也可以是顯微鏡的目鏡；飲料罐1 個；紙板、膠帶、雙面膠等等 。

過程：

1. 將飲料罐的上下剪開，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，所以用紙做兩個外徑65mm 內(nèi)徑50mm 的圓環(huán)，用雙面膠貼??；

3. 將2 個紙板做的圓環(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，（放的時候需要積壓底部邊緣，直接放不進去）；

5. 將50mmPVC 套入飲料罐口，物鏡部分基本制作完成；

6. 拿來一些紙板，卷成筒狀，包住目鏡，并放入PVC 管另一頭，一個簡單的天文望遠鏡制作完成；

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

● 藍膜和紅膜

對于選擇550nm 波長的膜系而言，由于有較多的紅光和更多的藍光反射，所以鏡頭反光呈藍紫色。由于玻璃吸收和鏡頭反射成像一般偏黃，常見于重視透光效率而對色彩還原要求不嚴的軍民用光學儀器和黑白像機、老式望遠鏡等。這種鍍膜一般叫藍膜。

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

● 望遠鏡的種類

天文望遠鏡的綜合品質(zhì)主要由光路結(jié)構(gòu)、鏡頭品質(zhì)、鏡筒結(jié)構(gòu)精度、臺架功能及穩(wěn)固性、功能附件、人性化設(shè)計幾方面來保證，根據(jù)光路結(jié)構(gòu)的不同，天文望遠鏡可分為三類，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、便于維護等特點，但折射式光路通過透鏡會產(chǎn)生色差，不過采用消色差設(shè)計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：反射式天文望遠鏡的特點是沒有色差、制造成本低、口徑可做的更大等特點，但有球差。使用中需要經(jīng)常調(diào)試光軸，不易維護，體積大攜帶操作不便，最大缺點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：折反射式天文望遠鏡綜合了折射式和反射的優(yōu)點，但仍有需要調(diào)試光軸、不易維護等缺點。焦距長視場小，不太適合地面觀測，且結(jié)構(gòu)復雜往往廠家裝配調(diào)試難以達到設(shè)計指標，而且制造成本高。

( 部分資料源自牧夫天文網(wǎng))