十六英寸卡式望遠鏡的制造

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十六吋卡式望遠鏡的制造

前言

國立清華大學(xué)造鏡組在去年夏天制成一架德式鏡架8吋牛頓式望遠鏡后，在師長的勉勵、引導(dǎo)與校方的支持下，本著濃重的興趣和頑強的信心，利用既得的一點經(jīng)驗邁進一步去著手制造一架叉式鏡架16吋卡式望遠鏡（該鏡全套除了16吋主鏡外，還有一架8吋卡式尋星鏡，請見照片一），此鏡可從基本構(gòu)造原理上具備這些優(yōu)點：

（一）觀測中天時，叉式架可免除德式架要轉(zhuǎn)來轉(zhuǎn)去的缺點。

（二）目鏡座置于鏡板后面，觀星較便利；若要加上照像設(shè)備時，也較易平衡。（三）卡式鏡所需筒長較短。

這架16吋鏡鏡身巨大，不像一般小型望遠鏡那樣的移動便利，于是天文臺的建筑與鏡身的籌制同時開始，經(jīng)過不斷的努力，全部工程終究去年年底完成，如今清華天文臺已挺立于清華物理館頂（照片二）。

本文要寫出關(guān)于制造16吋鏡鏡身的方法；分上下兩篇。上篇是說明鏡片部分的磨制過程，下篇是有關(guān)鏡架部分的設(shè)計情形。

上篇鏡片的磨制

卡式望遠鏡的次鏡是一個凸雙曲面鏡（可參考本刊第三卷第3期丘宏義先生文），它的特征是具有一個焦點（幾何焦點）和一個軛焦點。這種次鏡可將幾何焦點上的虛像反射到軛焦點。

參看圖一，若原鏡P的焦點與雙曲面S的幾何焦點重合，即F點，則遠處投射過來的平行光A,B本應(yīng)成像于F，但因有雙曲面次鏡S，就聚像于雙曲面的軛焦點C，此即卡式望遠鏡的成像原理。如圖一，原鏡直徑16吋，令焦比F＝4（即焦距PF=64吋）。若次鏡直徑為4吋（4吋次鏡的面積僅為16吋原鏡的1/16，遮住光線不多）。則次鏡的幾何焦距SF最大可為16吋，假若成像點C是在原鏡后面16吋，則此雙曲面的離心率e如圖可為40/24=5/3，而次鏡的軛焦距與焦距比值為64/16=4（即(e+1)/(e-1)），又整個卡式望遠鏡的綜合焦比便為16（若FC保持固定，則e越趨近于1+，綜合焦比越大）。這時原鏡中央的透光洞的直徑至少要1吋。

卡式望遠鏡的鏡筒比一致焦比的牛頓式望遠鏡要短好多，而且因成像于C處，若要加上分光儀等儀器，只需平衡赤緯軸的重量即可。所以，天文臺的大型返光望遠鏡都喜用卡式，而制卡式望遠鏡鏡片與牛頓式不同的兩件工作是：

（1）磨制次鏡：牛頓式需磨出平面，而卡式需磨出雙曲面。（2）原鏡中央打洞。

卡式望遠鏡所得的像亦為倒立，而16吋鏡板很重，需用磨鏡機磨制。第一章磨鏡機

本刊前幾期登載的丘宏義先生「望遠鏡自制法」一文中曾提到鏡片的手磨法——有長磨、短磨、正心磨、偏心磨、離心磨等，并且在磨一陣子后，工具板與鏡板要反向各轉(zhuǎn)一個角度。

設(shè)計磨鏡機的原則是在模仿手磨的動作，下文介紹的三張照片是清大磨鏡機的構(gòu)造。B是磨臂，由角鐵組成，可調(diào)理長度，它的另一端放在磨肩（照片四的H）上，B可將A傳遞過來的轉(zhuǎn)動，部分地變成前后移動，C是磨手，接受B的推動，并且本身也由G轉(zhuǎn)動。D是磨腕，由汽車上的萬向接頭做成，連接C和E。E是磨掌，下置工具板并將它帶動；磨掌直徑與工具板同大。F是木桿，可加重物施壓于C乃至工具板，但不施壓于B。G是馬達，它使C,D,E及工具板等與鏡板逆轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為鏡板的9/11。

以上是清大磨鏡機的概況，讀者不一定要依照上述去設(shè)計，只需把握住原則即可，要注意的是：機器上震動得很厲害的位置的螺絲，都要加上彈簧墊圈以防止螺絲帽松動脫落，否則，后果不堪設(shè)想。

現(xiàn)在來說明這部磨鏡機的工作情形：

（1）正心磨當偏心軸的偏心度為零時，調(diào)理磨臂的長度和磨肩的位置，使磨手或工具板正好在16吋鏡板的中央，然后再由偏心軸調(diào)理所需磨程（磨程即沖程，等于偏心度的兩倍），就成正心磨。

（2）偏心磨橫移磨肩，可造成偏心磨。

（3）長磨和短磨由偏心軸的偏心度來決定長磨或短磨。

（4）正前磨調(diào)理磨臂的長度比正心磨時為長，便造成正前磨。此法的效果與偏心磨不同（讀者可由磨手的軌跡去想一想）。

其它如正前短磨，偏心短磨等，只是兩個動作的聯(lián)集而已。

這部磨鏡機運動時，磨手的軌跡是蛋形。磨制16吋鏡片時，上面的工具板是10吋的船窗玻璃；工具板中心在鏡板上的軌跡便如圖二所示。鏡板中部磨損較多，又有磨腕的關(guān)節(jié)裝置（萬向接頭）使工具板和鏡板的曲面一直吻合，磨出的結(jié)果，鏡板便成為凹的均勻球面。當然，這是由于16吋鏡板重達30公斤，推動不易，必需用上小下大的兩片玻璃對磨；假若是磨制8吋鏡片，仍可上下同大兩片對磨（工具板在下），只需換磨掌為8吋即可。

這部磨鏡機有缺點嗎？答案是確定的，癥結(jié)是在磨手的蛋形軌跡。這是一種具有離心磨的效果的磨法；而這離心效果乃隨著磨程的必需存在而一直存在。在粗磨和細磨時，可以不考慮這一點離心效果的影響；但在打光過程中，除了松香模面會因離心效果引起微弱變形而需往往冷壓外，這蛋形軌跡更構(gòu)成鏡面幾何化步驟的要挾。

要改進這個缺點，可將磨臂所受的偏心軸轉(zhuǎn)動推動，改為單向度推動——裝一個單向度滑槽，并且另外再裝一個產(chǎn)生橫向推移的單向度滑槽，以供必要時的離心位移即可。當然，這樣的設(shè)計較繁雜，在此提出只是供讀者參考之用。

其次章磨境計劃

清大的16吋卡氏望遠鏡（包括8吋卡氏尋星鏡）共要磨制兩個（16吋和8吋）中央有洞的拋物面原鏡，和兩個（4吋和2吋）凸雙曲面次鏡。除了2吋次鏡外，其余三個都使用磨鏡機。

本章要談16吋境片的磨制步驟，至于8吋原鏡，除了打洞工作需依照16吋返光鏡的打洞計劃的一致步驟去進行外，其余各項磨制工作都與丘先生之文所言一致——只是大部分由磨鏡機代勞而已，又磨制4吋（或2吋）鏡片時只須取底下那片即可獲得凸面。而4吋（或2吋）凸面鏡的打光工作與幾何化步驟，也將在本章內(nèi)作簡要的說明。

底下是關(guān)于16吋主鏡（不包含尋星鏡）的制造過程：

（一）先將4吋次鏡磨成，并打亮鏡面后，收存?zhèn)溆谩ｌo待16吋原鏡拋物面化完成后才取出來雙曲面化。

（二）粗磨16吋鏡片，先用60號砂后用80號砂磨一段時間，磨出所需曲率（此時鏡面曲率半徑要比預(yù)定值稍大）。

（三）16吋鏡初次打洞。

（四）繼續(xù)自80號砂磨起，然后細磨，至800號砂止（都用磨鏡機正心磨）。（五）16吋鏡面打光（打光包括球面化和拋物面化兩階段）。（六）其次次打洞。（七）16吋原鏡鍍鋁。（八）4吋次鏡雙曲面化。（九）4吋次鏡鍍鋁。

（十）籌制目鏡（此步驟可提前進行）。將幾個重要的過程詳細說明于以下各節(jié)。第一節(jié)打洞（一）初步打洞

在初步打洞時，不能完全打穿此洞（參看圖三）。若此時打穿此洞，則細磨時，此洞將成「深淵」而損失大量磨砂；而且打光模的壓制也將是一大難題。

為何此時要將透光洞打進一部分呢（這也是為何鏡面需先挖圓槽深1/4吋的理由）？假使我們在細磨或打光后才打洞，則打洞器（見圖四）與鏡板對磨時，在磨出的圓形槽溝邊緣（鏡面）會有一些小玻璃碎片被帶出，如此顯得鏡面內(nèi)緣不整齊。此時先打洞的用意便是希望細磨時能將這些細碎的小痕跡消除。鏡面的圓槽深度以1/4吋最適當。因若太深，則換砂時清洗鏡面很麻煩。此圓槽在制打光模及打光時可用石臘或蜂臘封平（細磨時不宜封住因若封住，則換砂時還是要全部掏出來清洗）。

打洞以由正面和反面對打最安全，這項工作最要緊的是對正中心軸。對中心軸的方法好多，圖五所示是簡便而實用的方法之一。假若鏡板中心與轉(zhuǎn)軸軸心重合，則鏡板轉(zhuǎn)動時，試心計尖端A與鏡板外緣距離都是一致。然后將試心計置于鏡板或托板上跟著旋轉(zhuǎn)，同前理可用來測定打洞器的中心軸是否與轉(zhuǎn)軸重合。

打洞所用的是60號砂，又我們在打洞時，可從磨鏡機調(diào)換減速皮帶輪而獲得較大的轉(zhuǎn)速，使打洞工作進行得快些。

（二）其次次打洞

此步驟是在鏡片拋物面化工作完成后進行，并且因透光洞完全打穿后，想再次細磨或打光都很麻煩，所以要注意鏡面不可在此時被60號砂留下刮痕；需用蜂臘封住全部鏡面以保護光面，封臘之前要先將鏡面吹干才可上臘（特別留意初步打洞所留下的中央圓槽內(nèi)是否已干），因若有水分殘留其上，則臘與鏡面無法粘緊而產(chǎn)生間隙，進行打洞工作時，會有磨砂滲入傷害鏡面。

為了避免打洞器正好打穿此洞時產(chǎn)生擠壓玻璃邊緣引起不良后果，這次打洞要從正面去打。又這次打洞所化的時間要盡可能減少，力求避免其它意外事件的發(fā)生，所以在初步打洞時才從反面先打入二吋半深（參看圖三）。

洞打穿后，鏡面的蜂臘可先用熱水沖泡，然后依次用松節(jié)油和肥皂水洗凈。（可用清白紗布擦拭）其次節(jié)16吋原鏡的拋物面化

在此過程中，造鏡組用12吋打光模（若用10吋工具板來做也可以）。仍是老方法——先打成球面然后再行拋物面化。

16吋口徑F＝4的原鏡的拋物面化需到何種程度呢？假使將鏡面打成像圖六的拋物面。OR為鏡面中心的曲率半徑，而DE=AE為此拋物面的最大曲率半徑。RE即此理想鏡面的所有曲率中心間的最大差距a.OC是鏡面自平面磨成拋物面的縱深。此拋物線在A點的斜率為R/r，而EA斜率為，兩斜率乘積應(yīng)為（－1），由此，我們可得這個很重要的關(guān)系式：

OC=r2/(2R)=RE≡a(1)

以F＝4的16吋（r＝8吋）原境而言，必需磨深1/4吋（＝a）。又當我們將鏡面打成球面R后，需磨掉多少才能打成拋物面AO