望远镜的原理和结构图解示意图(望远镜的构造和原理)

望远镜基本构造

一般来说,常规的双筒望远镜有以下几个部分组成:目镜,物镜,中间的棱镜,两个镜筒的连接部分,以及聚焦系统。根据不同的尺寸大小,放大倍率,和用途以及个人喜好,双筒望远镜又可细分为好几种类型(详见双筒望远镜类型一表)。下图是常规双筒望远镜的基本构造图:

望远镜的原理和结构图解示意图(望远镜的构造和原理)

1、望远镜上的两个数字代表什么?

望远镜上的两个数字分别代表望远镜的放大倍率和物镜口径。例如10×42的双筒望远镜,代表该望远镜的放大倍率是10x,物镜口径是42mm。10x的倍率表示透过望远镜看到的物体被放大了10倍,即100米处的物体看起来是在10米处。

2.望远镜的放大倍率越大越好吗?

不是,放大倍数越大,表示远处的目标在视场中显得更大,但同时意味着实际的视场会变得更小,也就是说进入望远镜的光通量会减少,也就是说你看到的目标会变得黯淡审视模糊。同时,放大倍率过大,会造成晃动不易于手持,也会引起眼睛疲劳,不利于观察。

3.双筒望远镜能否选择变倍的?

可以选择,但最好可变倍数不要太大。变倍望远镜很方便、适合多种用途,是牺牲如下指标为代价的:价格稍高;结构复杂,容易损坏;视角一般偏小;镜片多,分辨能力稍差;逆光表现不如固定倍数,反差会低一点。

4.双筒望远镜和单筒望远镜到底哪一个好?

如同字面所示,双筒望远镜有左右对称的镜头,便于人用双眼观察。而单筒望远镜是用单眼观察。不过,我们并不能武断地认为双筒望远镜更好。一般来讲单筒望远镜的倍率比双筒望远镜高,可以将远处的物体放得更大。而双筒望远镜虽然比单筒望远镜的倍率低,但由于可以用双眼观察,可以得到立体感。同时由于倍率较低,可以用手拿着使用,便携性较好。并且由于其视野较广,比较适合用于观看室外的体育比赛。

5.望远镜如何调焦?

人们的左右眼在观看和聚焦方面都会有视差,而望远镜的中央调焦系统很好的解决了这个难题。基本上来说,我们的望远镜除了有中央聚焦系统以外,还会有右目微调功能(或左目微调,或双目微调),这种功能有效的缓和了左右眼的视差。

首先,用物镜盖或手罩住右物镜,对准远处某一物体,调节中央调焦旋钮,直到视线变得清晰。然后,用物镜盖或手遮住左物镜,对准同一物体,调节右目微调旋钮,知道视线变得清晰。这样双眼就都可以看见清晰的景象了。

6.如何评测望远镜的集光功能?

人们眼睛的集光功能会随着环境的变化而变化,但是望远镜不会。望远镜的集光功能是固定的,因此选择一款适合个人眼睛集光力的望远镜显得尤为重要,尤其是在较暗的环境下。

出瞳直径在离开望远镜进入眼睛起到放到景象的作用,因此出瞳直径便成为衡量望远镜集光功能的一个重要指标。几乎所有的望远镜在光线较亮的情况下都能收集到足够的光线,但是在黄昏或是光线较暗的情况下,望远镜的出瞳直径最好大于4mm。

7.戴眼镜能否使用望远镜,应该怎么选择合适的望远镜?

我们有很多款望远镜可供戴眼镜者使用。长视距望远镜的独特设计很好的解决了这个问题。视距指在能够清晰看到整个视场下,眼睛和目镜之间最短距离。这个距离范围在5mm到23mm不等。而对于戴眼镜的使用者来说,选购望远镜时,视距最好大于15mm。

8.望远镜是否一定需要防水功能?

望远镜可在任何天气环境下使用。如果你想让你的望远镜在雨天潮湿的环境下也能正常使用的话,那么选择一款具有防水功能的望远镜是必须的。防水型望远镜的价位偏高,但是使用起来更安全方便,无论是怎样的阴雨天气都可以放心使用。但与此同时,并不是说防水型的望远镜随意丢到水里也不会弄坏,如果浸入水中后,还是需要经过专业处理的。

9.何谓填充氮气的效果?

当在雨或雾中使用光学仪器时、或是将光学仪器从寒冷的房间带至温暖的房间等时,将会产生凝露的现象。外部所带的凝露在擦拭后便不存在问题,而在内部产生了凝露时,无法即时拆卸并进行擦拭。说过起内部凝露其实是从外部浸入了水分的证据,不作任何处理放置后,将存在导致内部的透镜或棱镜发霉的危险。除野鸟观测外,经常需要在各种环境下使用双筒望远镜和单筒望远镜。为了避免内部浸入水分,有必要在各种各样的条件下都能够保持气密性。也就是说保持气密性就等于防水。

10.何谓镀膜

利用光学干涉原理,一片镜片表面镀上一层适当镀膜可增加透光率,减少反光,加强反差。单层简单镀膜:如 MgF2 呈蓝色,主要反射蓝光,透光率低,只约95%,而且色调偏黄。多层镀膜较佳,减低不同频率的光线反射,透光率更高,最高可达99%以上!一枝镜筒内起码有10多个光学面,最佳的多层镀膜应不会反射任何光线,实际上应呈暗紫红色或暗绿色。此等镀膜不但改善透光率,抑制镜内光线散射,而且增强清晰度。镀膜虽然增加透光率和改善反差(光暗位分明),但表面却容易受到霉菌侵蚀或易刮损,此乃其主要缺点。

利用光学干涉原理,一片镜片表面镀上一层适当镀膜可增加透光率,减少反光,加强反差。单层简单镀膜:如 MgF2 呈蓝色,主要反射蓝光,透光率低,只约95%,而且色调偏黄。多层镀膜较佳,减低不同频率的光线反射,透光率更高,最高可达99%以上!一枝镜筒内起码有10多个光学面,最佳的多层镀膜应不会反射任何光线,实际上应呈暗紫红色或暗绿色。此等镀膜不但改善透光率,抑制镜内光线散射,而且增强清晰度。镀膜虽然增加透光率和改善反差(光暗位分明),但表面却容易受到霉菌侵蚀或易刮损,此乃其主要缺点。

11.怎样选购一款满意的望远镜?

选购一款满意的望远镜之前,应该先问问自己想用此款望远镜来做什 么?下面是几个例子:

如果你希望你的望远镜可以随身携带,轻而易举得拿在手上或是放入口袋,可以用来观看体育赛事,演唱会或是旅行观景,并且还要价位偏低,那么8×21,10×25 或是12×32此类的轻便型望远镜就很和你的心意了。这些款型的望远镜不仅可以满足你所要的各种功能,而且设计时重量减轻,可以随身携带。

如果你希望你的望远镜可以在任何天气都可以使用,尤其是阴雨天气等,那么购买一款防水型的望远镜是十分必要的。

如果你希望望远镜可以观看较为清晰的景物,对光学质量要求较高,同时不会随意移动,有支架可以支撑,那么就可以买一个大口径的望远镜。

望远镜保养

望远镜算是结实的光学仪器,只要稍稍注意一下,不需要花太多精力去保养。但是适当的注意细节还是必要的,以下是对于望远镜保养和使用的一些建议:

1.擦拭透镜时,用附带的绒布或其他柔软、洁净的布,最好的用专业的擦镜布。

2.清除残留的脏点或污迹时,可滴上一、二滴酒精. 不可以用水擦拭。 3.把望远镜保存在干燥的环境中,最好和干燥剂放在一起。

4.在风沙天和潮湿的天气,最好不要使用望远镜,风沙和水汽会对望远镜镜片造成伤害。

5.不要用望远镜直接观察太阳,强烈的阳光经望远镜的聚焦,就像放大镜聚光一样,会灼伤你的眼睛。

6.不要对望远镜重摔、重压或其他剧烈动作,那样容易导致重影或者镜片损坏。

7.若镜身内发霉,不应自行拆散清洁,最好寄回原厂修理。不要试图清擦望远镜内部或拆卸望远镜,拆卸之时最好有专业人士在旁。

8.长期不用时,将之放在装有防潮珠的密实袋或电子防潮箱内,但切勿放在皮盒内,因为皮盒易发霉和吸水。

如果能按上述建议对望远镜加以保养,那么望远镜的使用寿命会更长,使用效果也会更好。

望远镜成像原理

要了解双筒望远镜的成像原理,首先要熟悉望远镜的一些知识。实际上,双筒望远镜无非是把两个镜筒组合在一起,便成了双筒望远镜。望远镜的最前端有一个镜片,即物镜。其作用是收集光线,将光组合成可见的影像,将影像放大,然后将光传输到目镜,进而进入视线。所见物体或景物放大的倍率取决于目镜的焦距,对于双筒望远镜来说,倍率一般介于5x到10x之间。下图是双筒望远镜的简易成像原

如果只有物镜和目镜,那么望远镜产生的影像会成倒立状,这对于观看天文并不会产生影响,因为在太空中的物体是不分正立倒立和左右的。然而在观鸟或是观看棒球赛事时,正立的影像却是必需的。这正是为什么双筒望远镜会在物镜和目镜之间放入矫正镜片—棱镜。

棱镜被安置在物镜和目镜之间,并由镜筒外层机壳环绕,起到保护作用。棱镜的功能跟普通镜子无异,只是没有反射背面而已。棱镜系统可分为屋脊棱镜式和普罗棱镜式,按材质又可分为BaK-4材质和BK7材质。在此,我们只讨论棱镜的功能。

望远镜的原理和结构图解示意图(望远镜的构造和原理)

上图可帮助我们更好的理解望远镜的成像原理。光进入物镜,到达第一片棱镜,此时影像呈倒立状;再折射到第二片棱镜,此时影像呈正立状,最后进入目镜,到达视线。这便是我们看到的放大后的物体。这原理适用于所有的双筒望远镜。

关于望远镜原理,就以两片凸透镜构成的开普勒式望远镜为例(一凹一凸的伽利略式类似):

望远镜的原理和结构图解示意图(望远镜的构造和原理)

一般都在解说望远镜原理的时候,都是以平行光线来说的,然后说物镜把平行光线汇聚于一点,然后目镜又把此焦点上的汇聚光线还原为平行光线,然后实现了放大。

这样解释乍看没什么问题,但是仔细一想就会觉得有问题。现实世界,哪来那么多平行光线?现实世界是四面八方好多光线的啊!这怎么解释?

而且,在上面那样的解释下,就会有个结论是:物镜与目镜的距离等于物镜焦距+目镜焦距,那么是个常数,那么不换目镜的话,都用不着调焦了。但是望远镜都是有调焦装置的。这又作何解释?

详细解释开来,是这样的。

首先望远镜看的都是很远的东西,物距往往远远大于物镜焦距。因此远处物体不管多大(大的如恒星,小的如远处高楼)或多小,物体上某一点发出的散射光线束,被整个物镜面所捕获的时候,这些光线都可以说(十足地)就是平行光线束了(而不是明显放射状光线束)。这样,一般的望远镜原理解说中的平行入射光束的来源就是这样。

考虑成像的时候,其实只需对任一点分析清楚就可以了。其他点都是类似的。所以望远镜原理的一般解说,都是拿平行光线来说事。

然后,这束几乎平行的光透过物镜后,会基本汇聚于焦点处。或者说,即使不按平行线来理解,那也会发生凸透镜成实像效应的(物体上任一点成像于像平面上的一个点上)。但因为物距>>物镜焦距,那么像距几乎就会等于物镜焦距,且物体上该点成像后的像可以说就在物镜焦平面上,且必然非常挨着焦点。这样看,其效果和上面理解成平行线是一样的。

这束光经过汇聚点后,继续前进,来到了目镜处。在目镜处,又来了一次逆聚光,重新还原形成了(几乎)平行光。这束(几乎)平行光入射眼睛后,在视网膜上形成了实像点。这样,眼睛就看到了这个原物体上的那个点了。

整体看,对单个点,过程就是光线经过物镜后会聚,经过目镜后发散,经过瞳孔晶状体后又会聚。

为什么口径越大,所看到的越亮呢?粗略地说,整个物镜面上接收到的该点的光(接收到的光量与物镜口径平方正比),最后都会汇聚于视网膜上的(面积为0)实像点了。因此说,口径越大,所看到的越亮;收集光的口子大嘛。(关于为什么放大倍数越大越暗,可以这样理解,物体表面单位面积的表面发出的等量光在高倍下在视网膜上所成像小,因此光量更集中;放大倍数高的时候,视网膜上所成像大,更分散。当然这只是大概的解释)

物体上的任一点散射到物镜面上的所有点最后会合于视网膜上某点了,那么物体上其他点也会这样的。于是,视网膜上形成了了经过望远镜双凸透镜后的像。

像虽然形成于视网膜上了。但是还有个放大率的问题。

关于放大率,还以物体上一点最终散射到物镜面上的近似平行光来解释。看图中蓝色与红色线,分别都是过物镜与目镜镜心的,都不会发生折射。入射(几乎)平行光束与出射(几乎)平行光束会分别平行于他们。放大倍数可以根据红蓝这两条线得到。放大倍数指的是视角的放大。根据简单的三角函数关系可知道,当入射平行光与光轴夹角不大的时候,出射入射夹角比就近似等于两个焦距的比,这正好是放大倍数。

如果希望进一步增大放大倍数,那么就是目镜缩小焦距然后更凑近物镜,那么图中红色线会更倾斜。足够倾斜后,红线的延长线就没法和物镜相交了(只能相较于镜筒壁),这说明这时候该点其实已经跑出目镜视野了。只有与物镜目镜光轴更小夹角的平行线束才能进入视野。这说明了,目镜焦距越小,看到的视野越小。

另外,如果物距并不远远大于焦距,那么入射光束就没那么平行,所成的实像点就离焦平面比较远。这时候,物镜与目镜距离,就不是两个焦距之和了,而是要比这个和大一点。这也解释了为什么(不可换目镜的)望远镜都还是有调焦装置的。看远近不同的东西,还是需要不同的物镜目镜距离的嘛。

总起来说,望远镜是光依次经过物镜、目镜、眼睛晶状体三个凸透镜,最后把原物在视网膜上成了实像。由于物镜目镜的巧妙组合,正好所成的是比眼睛直接看,放大的(且因为可能汇聚了更多光,因此可能更亮)像而已。物镜目镜之间的距离,严格说不是等于两个焦距之和,而是物镜像距与目镜焦距之和。

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