Φ200毫米反射式望远镜的设计与制作
尹相东
20CM反射望远镜可以说是目视天文观测的一种标准配置，国内外很多知名的爱好者都拥有这种望远镜，他们用这种望远镜进行了许多卓有成效的观测。多年以前河南开封的张大庆先生就给我磨制了一块Φ200抛物面反射镜（焦距107CM），但由于种种原因我一直没能动手制作。
同好会的寇文也有同样口径和焦距的一面反射镜，他的望远镜已经快完工了。北京另一位天文同好何景阳先生还热情地帮我做了一个铝质镜筒，我想现在该是动手的时候了。
我计划99年上半年制作一个道布森式的反射望远镜，下半年逐步完善它，同时作为一种尝试，为它加装两个步进电机，实现计算机自动控制。
我将把我的每一个设想、每一步实践记录下来，如果你有兴趣，可以与我分享制镜的快乐，如果你有更好的方法，欢迎与我联系。
（1999-1-22）
现在我手头的主要配件如下：
抛物面反射镜（主镜）：焦距1075mm，直径198mm，厚20mm
小平面反射镜（副镜）：短边直径35mm，厚12mm
铝质镜筒：内直径229mm，长度1000mm，壁厚1.5mm
目镜：接口31.7mm
各种类型的牛顿式反射望远镜，其光学结构都是一样的（见上图），这里就不再罗嗦了。装配望远镜的镜身首先要解决三大问题：
物镜的安装
目镜调焦座的安装
副镜的安装
在牛顿式反射望远镜中，镜筒的内径一般比物镜直径大20～30mm，以方便物镜的安装和调节；另外镜筒的长度一般至少应等于物镜的焦距长度，这样目镜开口离镜筒端面有一定距离，可以避免杂散光的干扰，而且主镜焦点伸出镜筒不会太长，否则除非副镜尺寸足够大，当用广角目镜观测时，视场边缘肯定会有光线损失。（然而我的物镜焦距和主镜筒长度并不能满足这个要求。改变物镜焦距显然是不可能的，而加长镜筒长度难度也很大，外观也不好看。所以设计时要着重考虑这个问题，必要时得在某方面作出牺牲。）
只有当主镜的光轴和目镜的光轴完全重合时，望远镜才能达到最好的成像效果。然而即使在家仔细调整好光轴，经过长时间使用或长途运输后，光轴仍可能会歪，所以装配镜身时，主镜的指向、副镜的位置和指向以及目镜的指最好都是可以调节的。这一点在整个望远镜的设计和制作过程中不能忘记。
(1999-2-7)
首先设计物镜座。《天文爱好者》杂志曾两次连载杨世杰先生的文章《怎样自制天文望远镜》，其中介绍了两种物镜的固定方法。第一种是最简单的方法（下图A）：找一个与镜筒内径相同的木板（底板），先用三个金属片弯成的小钩将物镜固定在底板上，然后用三个角铁把底板固定在镜筒上即可。这种方法制作简单，镜片固定稳固，但物镜的指向调节很困难。对于强光力的望远镜，校准光轴是很重要而且时常需要做的事，所以这种方法不太合适。第二种方法（下图B）首先将物镜固定在一个小板上，小板通过三个螺栓与底板相连，螺栓中间加上弹簧，通过调节底板背后的螺母可以很方便地调节物镜的方向。这种方法制作相对复杂些，但使用效果却非常好，也是现在国际上很流行并且使用最多的一种方法。
而随着物镜口径的增大，其重量也在增加，上述第二种方法中所用的螺栓和弹簧的强度必须增加，这最终会导致物镜座的重量随物镜口径的变大而急剧增加。因此对于较大口径的物镜（我理解应是大于30cm的）又有了一种新的固定方法。这种方法使用一块底板，没有小板，没有弹簧，但底板上却保留三个螺栓，螺母嵌入底板中，物镜片是直接放在螺栓的三个顶点上的，调节螺栓可以调节物镜的指向（螺栓顶点要打磨光滑，与镜片之间要垫上薄的皮革，以防止划伤镜片）；为防止镜片滑动，要在底板上钉三个小木块挡在镜片边上，为防止运输时物镜片翻倒（正常观测时镜筒开口都是朝上的，物镜重量落在三个螺栓上，不会翻倒），三个小木块上还要各加一个木片，木片末端要超出物镜边缘3、4个毫米（见下图）。观测时，物镜片只与两个防侧滑木块接触，与三个防翻倒木片不接触，没有任何外力卡住物镜，因此物镜不会产生任何形变。
这第三种方法制作难度介于前两种方法之间，物镜变形最小，可运输时固定不太牢靠。只要解决物镜固定问题，这还是一种不错的方法。另外，由于我的镜筒比较短，这种方法可以省出1～2cm的空间，我决定采用这种设计。
(1999-2-7)
目镜调焦座和副镜的安装设计方案已经完成，它们都是依附于固定在镜筒内壁的一块钢质托板上的，请参见下图，具体设计想法下次再谈。
(1999-2-8)
托板由一块120mm×100mm×2mm的钢板制成（见下图），两侧折弯，各打四个安装孔，然后只要在镜筒上打上相应的孔，就可以将托板牢牢地固定在镜筒的内壁上。考虑到将来会接照相机，托板上会受较大的力，所以安装孔较多，所用材料也较厚。
(1999-3-4)
有了托板，目镜调焦座的安装就容易多了。常用的方法是做一个法兰盘，一端用螺栓与托板连接，另一端接目镜。因为我手头有几个摄影用的M42螺口近摄接圈，所以我采用了更简单的方法，直接在托板中央挖一个直径42.5mm的孔，找一个比较短的接圈，将它的外螺纹一端从这个孔中穿过，与另一个长一些的接圈的内螺纹相接，拧紧后两个接圈便与托板紧密连接，再做一个M42螺纹到31.7mm目镜的转接口，便可以固定目镜了。
(1999-3-4)
副镜的安装我采用了比较独特的设计，简单易做，固定牢靠，而且副镜的各个自由度都可调节。
副镜由副镜托架固定，如2月8日的图所示。副镜托架主要由四个零件组成，详见下图：
T型体：由两个相互垂直的面构成，其椭圆面与副镜连接（可用胶粘或其他方法，注意不要让副镜受力太大而产生形变），另一面厚3mm，钻Φ4孔。可以用铝合金型材制成。
圆柱体：直径8mm，可用铝棍车制，一端洗一个3mm宽、15mm深的槽，在与其垂直的方向上钻Φ4孔。
副镜托杆：用6mm钢棍制成，长度约大于镜筒半径，一端套扣（刚好能插入托板上的副镜托杆安装孔）。
连接件：用长方体铝块制成，在相互垂直的方向上钻两个孔，一个8mm，另一个6mm，用以将圆柱体和副镜托杆连接。为保证连接牢固，要在每个孔旁边打孔攻丝，安装紧固螺丝。
装配方法如下：T型体的一面插入圆柱体的槽中，用一个M3螺栓连接T型体和圆柱体。将圆柱体和副镜托杆用连接件连接，副镜托杆的攻丝的一端用两个螺母固定在托板的副镜托杆安装孔中。
副镜托杆安装孔实际上不是孔而是槽，副镜托杆可以左右移动；连接件可以沿着副镜托杆上下滑动；圆柱体可以在连接件的孔中前后移动，左右转动；副镜可以绕圆柱体的螺栓转动以调节仰角。副镜指向的方便调节为以后光轴的精确调整打下了扎实的基础。
(1999-3-4)
镜筒设计完成，马上开始动手制作。
首先将托板和副镜托架（除T型体）的图纸送给作机加工的师傅，几天后取到货。 T型体可以自己制作：锯两截角铝（可以从铝合金型材上锯下，与角铁一样，它具有两个相互垂直的面），将它们的楞边对齐，另一面用环氧树脂紧密粘合，胶干后用钢锉锉成所需的形状，然后用手电钻打眼，T型体就做好了。为了将副镜固定在T型体的椭圆面上，通常用的方法是先在T型体上固定一块长方形薄铁皮，薄铁皮的四个角弯上来就可以紧紧钩住副镜。而我的副镜厚度很厚，超过其短边直径的1/3，不会产生形变的问题，所以我干脆在副镜的背后呈品字形涂上三小块环氧树脂，然后直接将它与T型体粘在一起了。
安装托板的工作主要就是打孔。首先根据物镜焦距和焦平面伸出镜筒的距离可以确定托板的位置，然后在镜筒上作好记号，用手电钻打8个孔。因为目镜调焦座一端固定在托板上，另一端要穿过镜筒，所以镜筒上要打一个大孔。这个孔也可以用手电钻完成：先在镜筒上画好孔的边界线，选用较细的钻头（2mm），沿着线打一排孔（孔间距约1mm），然后用小的什锦锉将这些小孔锉通，大孔就完成了。
用8副螺栓将托板固定在镜筒内壁，安装上目镜调焦座和副镜托杆，然后用螺丝将连接体、圆柱体等零件安装并固定好，一切都是按照原设计进行，非常顺利。
在制作物镜座时，遇到了一些困难。底板是一个圆板，本打算找10～12mm厚的木板用机器加工出来，但我最终只找到了8mm厚的胶合板，一时也没找到木工，我就自己在板上划好线，然后用钢锯锯出了这个圆板，不圆的地方最后用木锉修理修理，效果居然还挺好。连接镜筒和底板的角铁必须牢固，我选用了2.5mm厚的角铁，每边各钻了两个孔。因我的底板较薄，所以选用了螺栓将角铁和底板连接（其强度比直接用木螺钉要大得多）。我买了三个M5的螺栓安装在底板上用来调节物镜的方向，本打算将螺母嵌入底板，但这样制作难度大，螺丝也容易松动。我最后在底板上钻了三个直径略小于螺丝直径的孔，将螺丝直接旋入，借助木头的弹性和张力，可以将螺丝紧固，不会松动，同时借助改锥（起子）也可方便地对其进行调节。在原设计中，防翻倒木片是固定在防侧滑木块的顶端的，这样防侧滑木块的高度至少要比镜片厚度大1厘米（达到3厘米），而它的厚度却受底板和物镜相对大小的限制只能略大于1厘米，其强度十分有限，将来物镜的安全要大打折扣。最后我更改了设计，防侧滑木块的高度减小到1.5厘米，我另外找了三个2厘米宽、0.7mm厚的铝片，一端钻孔，借助固定角铁的螺栓固定在底板上，另一端折弯，与物镜侧面平行，在安装完物镜后将铝片的末端再多折过来一些，这样，平时物镜与铝片不接触，当物镜要翻倒时就会被铝片钩住。为防止划伤镜片和产生杂散光，铝片最后包上了一层黑色的电工胶布。
(1999-3-29)
通过角铁将物镜座固定在镜筒底端后，镜筒部分就基本完工了，下一步是制作道布森支架。没有支架望远镜用起来十分不便，但好的支架制作起来有很麻烦，于是我决定先做一个简单的支架。
虽然简单，可这还是标准的道布森结构。首先给镜筒装两个“耳朵”：车两个10厘米直径1厘米厚度的圆饼（材料可以是铝或塑料），找7厘米宽的那种铝合金型材锯下长12厘米（略大于圆饼的直径）的一段，从其短边对剖开，铝板两侧面的高度留5mm，其余锯掉。在镜筒重心部位两面对称的地方沿镜筒轴线方向各钻两个孔，孔距8厘米。沿圆饼直径和铝板中心线也各钻两个相距8厘米的孔，用螺栓依次穿过圆饼、铝块和镜筒，拧紧后两个“耳朵”就安装好了。
有了耳朵，下一步是做镜架。我将家中的一个旧方凳作了改造，去了一边的撑子，另两面加上木条锯出V型槽，镜筒的两各“耳朵”刚好能放在V型槽中。这样，简单的道布森支架就完成了，虽然简陋，但现在用起镜子来方便多了，以后有时间再做一个好的支架。
除了镜筒内壁的无光处理，望远镜已大体完工了。我调整了副镜和物镜的方向，当从目镜方向看过去，在副镜中物镜的像和副镜的二次像没有严重偏离圆心时，就认为光轴已经初步调整完成了。天一黑我迫不及待地将望远镜搬到阳台上，终于在目镜中找到一颗星。我开始调焦，期待着衍射环的出现，可令我奇怪的是，星像不但没有出现衍射环，甚至不能汇聚成一点，总是一团“小棉花”，亮星、暗星都是如此，对准月亮，更是模糊一片，什么细节都看不清。
怎么回事，物镜质量有问题？副镜变形？……
大失所望！
几天后又是晴天，我一下班就把望远镜拿到阳台上，我想到了望远镜内外温差导致的镜筒内空气的流动可能会影响像质。晚饭后再去看，呀！果然不一样了！暗星已基本可以调成点状，亮星会带一朵小小的花，但也基本可以接受。我发现散焦后星像不是呈圆形，而是呈扇形，这下我心里就更有底了，目前光轴还没调整好，这架望远镜还大有潜力呢！
(1999-3-29)
经过几个月的不懈努力，终于掌握了牛顿镜的光轴调整方法，具体内容见专文。
现在望远镜已经全部完工，我对它非常满意。在光轴调好、大气稳定度很好的时候，我用200倍放大率，可以清楚看到土星的卡西尼环缝，木星的大红斑自然不在话下，连云带上卷曲的形状也能看出来。有机会带出去看深空天体，效果一定不错。
(1999-7-19)
Φ200道布森反射式望远镜观测报告之一：月面
经过初步调整，Φ200反射镜已经可以用于实际观测了。 今晚预报是晴天，但天空很不通透，住地附近光污染很严重，除了金星，很难再找到别的星星。然而月亮似乎不怕这种天气，发着淡黄色的光，高高地挂在天上。今天农历是初六，正是看月亮的好时机，晚饭后我把Φ200反射镜在楼上朝西的过道上支了起来。
第一次用望远镜看月亮是在初中，刚把邮购来的直径10厘米的球面反射镜装起来，不等做支架，抱着镜筒就把目标指向了月亮。那是我终身难忘的时刻，虽然与后来用过的望远镜相比当时月亮的清晰度差很多，目标在视场中也晃得厉害，但我还是被布满月面的环形山所震撼，简直太美了！直到三年前我买来了直径8厘米的折射镜，才又一次感受到，月面原来可以更美丽。这个折射镜质量很好，月亮所成的像非常锐利，反差很大，平原和山脉都显现出了更多的细节，大的环形山里套着小环形山，都被我看得真真切切。那么，今天用我新做好的直径20厘米的抛物面反射镜，到底能看到什么效果呢？
经过短暂的预热，正式观测开始了。我选择的目镜是8厘米折射镜原配的焦距10毫米的凯尔涅目镜，它视场边缘像差较大，但中心的像质很完美。现在虽然放大率是107倍，但寻找月亮这么亮的目标是很容易的。把月亮调到了视场的中心（实际上月亮的直径已经超过了视场的直径），仔细地把焦距调实，月面明暗交界处的一片平原和山谷呈现在我眼前。
今天天空虽不通透，但大气稳定性很好，放大107倍的月亮没有一丝抖动。月亮所成的像锐利极了，反差也很大，让我有些不敢相信我现在使用的是反射镜。太阳刚好照亮了澄海和静海交界处的一个环形山。澄海表面是广阔的平原，当望远镜轻微的晃动停下来后，我清楚地看到平原实际并不平坦，有很多处轻微的起伏，在初升阳光的照耀下，显现出层次很丰富的条纹。紧靠在澄海和静海交界处的环形山的北侧，有一条细长的沟，一端伸向澄海的平原，另一端则消失在黑夜中，如果明天天气还好，一定要看看这条沟有多长。在静海的西部平原上，可以看到一条很显眼的条纹，我找来月面图一对照，原来那就是科希峭壁。目标指向月面西部的危海，平原上显现出五、六个很小但很圆很精致的环形山，虽然离明暗分界线很远了，但仍看得很清楚。当我最后把望远镜指向月面的南部的时候，密密麻麻的环形山让我简直目不暇接了……
我兴奋地把夫人叫出来，每次我架起望远镜她都喜欢看一看，虽不象我痴迷天文，但好奇心还是有的。“比以前看的清楚多了。”她用我所有的镜子看过月亮，得出的评论还是比较客观的。这时我的两个邻居回来了，第一次看到这么清楚的月亮，不约而同的感叹是“哇！简直太棒了！”
为了进行比较，我支起了我的直径8厘米的折射镜，真是“不比不知道，一比吓一跳”，使用同一个目镜，在8厘米折射镜中，月亮显得要暗很多，澄海上的起伏、科希峭壁还有那条沟都分辨不出来了，8厘米折射镜和20厘米的反射镜的差距还是非常明显的。
以前我对反射镜的聚光力从不怀疑，今天我对反射镜的像质有了最直接的认识：并不比折射镜差。在这里我和《天文爱好者》99-2期中的梁明辉同学一样，要再一次感谢张大庆先生，是他磨制了这么好的抛物面反射镜，让我今天看到了最美的月亮。
（1999-4-21）
Φ200道布森反射式望远镜观测报告之二：木星
九九年七月中旬，我对木星作了几次观测。地点是北京市玉泉路，我是在一幢居民楼四层朝东的阳台作的观测。所用的器材是直径200mm道布森望远镜，现在我已经把这架望远镜的光轴调得比较理想了。观测时间基本都是凌晨3点半到4点半之间，这早已过了天文晨光始，对观测结果或多或少会有一些影响。凌晨观测还有一个好处，前一天大地吸收太阳的热量早已散掉，我作的六次观测，天空的晴朗程度各不相同，但大气宁静度都相当好，即使使用200的放大率，目标仍看不出一点抖动。
最开始我使用的是焦距10mm凯尔涅目镜。放大107倍的木星呈现明显的椭圆形，虽然天空已经不很黑了，但木星在视场里仍显得很亮。赤道附近最显著的两条云带在直径60mm的折射镜中就能看见，而在第一天的观测中除了分辨出的云带数多了一些，我并没有发现云带本身有什么新的特征。倒是碰上了一次木卫投影在木星表面，小黑点虽然很小，但轮廓很清晰，在木星表面很容易分辨。时间仓促，我没能看到它在木星表面的移动。到第二天观测时发现了赤道北边的云带上出现了缺口，云带的别的部分显得很平，很整齐，而在缺口处的云层出现“卷起”的迹象，象是云带中有一个浅色的漩涡。我努力分辨大红斑具有的椭圆形状，但总觉得它不规则，不是椭圆。到第四天时，赤道南侧的云带上出现了缺口，它的椭圆形状很明显，尽管看不出红颜色，但我想它就是大红斑。
放大107倍的木星仍有足够的亮度，于是我向同好会的曹军、王炎、寇文分别借来了美国TELE VUE 4.8mmNAGLER目镜、国产的焦距6mm目镜（类型不详）和国产焦距5mm普罗素目镜。其中6mm目镜的视场、出瞳距不错，但视场边缘的色差严重，视场中心的分辨率与我的10mm凯尔涅目镜差不多。TELE VUE目镜做工考究，多层镀膜，非常漂亮。出瞳距小了一点，但视场很大，超过80度，而且很“平坦”，整个视场都很清晰。放大220倍的木星呈现出更多细节，以前看似平静、整齐的云带，现在可以分辨出有许多漩涡状结构，只可惜大红斑转到了木星背面，无法看到。最后使用5mm普罗素目镜，它外形很不起眼，视场也一般，约40度左右，但它的中心像质却可以与TELE VUE目镜相比，对木星表面细节的分辨率，我没有看出二者的明显差别。
在200倍的放大率下，木星在视场中移动很快，每次把它拉回视场都要费一翻工夫，使有效观测时间大大缩短。这个时候就显出自动跟踪的必要性了。
（1999-7）
Φ200道布森反射式望远镜观测报告之三：土星和土卫
1999年9月22日、23日，恰逢中秋前夕，月亮很亮。但这两天天空很透，特别是22日，即使有月亮、即使有灯光，用肉眼看昴星团仍能分辨出3、4颗恒星，这相当不容易了。这两天我用Φ200道布森反射式望远镜观测了土星，时间都是晚上11点左右。
可能因为是前半夜，大气稳定度稍微有点影响，观测半小时后，从放大107倍的土星边缘仍能看出空气的轻微抖动。尽管如此，土星的卡西尼环缝看得还是很清楚的。在土星表面的南半球，能分辨出一些与赤道平行的暗的条纹，但这些条纹边界不是很清晰，远不如木星表面那样丰富多彩。
土星周围聚集着一堆小星星，我知道土卫六是它最亮的卫星，8.2等，离开土星的距离在4'之内，所以在土星周围半径4'范围内，亮度小于8.2等的点状天体都有可能是土星的卫星。我在两天的观测中分别记下了土星周围的5个和4个亮点的位置，22日只记在脑子中，23日记在了纸上。后来查资料，确切看到的土星卫星有：土卫三（ 10.1等， Tethys ），土卫四（10.3等，Dione），土卫五（9.6等，Rhea），土卫六（8.2等，Titan）。22日还看到一颗可能是土卫二（11.6等，Enceladus），但因为当时没有记录在纸上，所以有些不确定（看来观测记录很重要）。
22日用昴星团测Φ200反射式望远镜极限星等，结论是在12.0到12.2之间（在没有光污染的情况下会更高）。从亮度上说，土卫八（11.0等，Iapetus）也能看到，但它离土星较远（最远时达10'左右），很容易和周围的恒星混淆，在没有详细星图的情况下，想找到它，难度还是很高的。