牛頓反射鏡的光軸校正/ Collimating a Newtonian Reflector （SkyWatcher 150mm F/5）

2022/01/08 updated 

口徑150mm, 焦距750mm的Skywatcher牛頓鏡也能放進神牛箱內（對焦座處稍微蓬起來些）。

光軸校正完成的影像 Collimated images：

 圖a  次鏡鏡面輪廓、主鏡的投影，與對焦筒內圓（或目鏡座內圓）輪廓三者調成為同心圓，其圓心正是從主鏡投射過來的次鏡十字支架的中心。

（注意：只有如Skywatcher 150/F5這隻在設計與組裝時次鏡鏡面中心已相對於次鏡座中心即十字鏡架中心做Pre-offset 的機型，或長焦比次鏡無需做offset的機型，十字中心才會等於光軸中心，否則十字中心偏移、不在光軸上是正常的，詳後述）。

次鏡pe-offset：

從主鏡投射過來的次鏡圓形輪廓（十字鏡架連接的黑色）可看出次鏡中心偏移十字中心的pre-offset（屬正確的現像；若越長焦比則偏移越小）。 

                     

圖b  從主鏡反射回來的校正器斜鏡影像（最亮的那個圓面）也會與主鏡映影成同心圓。

同時光軸校正器斜鏡中央的孔以及主鏡中央的圓圈記號兩者也在中央重合成同心圓

以下介紹以cheshire、雷射光軸校正器的兩種不同校正方法。

一、光軸校正器（目鏡） - Cheshire eyepiece  :

校正目鏡 cheshire的長短各有利弊。這隻是折反鏡專用的，稍長一點，所以從瞻孔無法同時看到對焦筒內緣輪廓與次鏡中映照的主鏡完整輪廓，需調整目鏡伸入對焦筒的長度來分別觀看兩者。優點是在對正同心圓時可以目鏡的1.25”管子內圓做參考(如前面圖b)，會比用2”對焦筒內緣做參考要準確（請使用公差較精密的2"轉1.25吋目鏡座）。

通常對焦座應該是準確的，除非歪斜的明顯，或者調整次鏡與主鏡後仍無法校正好時才考慮調整對焦座。紅色圈起的部份是對焦座調整螺絲，有三組：

在對焦筒的對面鏡筒內壁上墊一張白紙，這樣可以讓校正時從調焦筒/光軸校正器的瞻孔中觀看的次鏡輪廓（如前面圖a）變得明顯：

主鏡中央的記號：

調整前、光軸不準的情況（從光軸校正器瞻孔拍攝的次鏡影像）：

主鏡的映像未與次鏡鏡面成同心圓＊（主鏡反射過來的光束有部分落在次鏡鏡面範圍之外）；從主鏡反射回次鏡的光軸校正器的斜鏡映像未在次鏡中央，也沒有在校正器的管子的輪廓中央（可看出校正器的斜鏡的偏斜）；主鏡中央的記號與光軸校正器中央的瞻孔沒有重合（沒有成同心圓）。

光軸校正步驟:

1.

SkyWatcher 150 F/5 的次鏡已經有預先做offset了，所以次鏡十字架中央須調至鏡筒中央（即主鏡的光軸應通過十字中央）：

次鏡十字鏡架通常出廠時已調好，先確認有需要才調整。

可以用尺量，或者用以下方式，看支架固定螺絲伸入至鏡筒內側的牙數，將同一直線的兩支支撐架譬如左、右兩支調整至牙數相同即可（這裡假設每一支支架的長度皆相同），上下兩支也是如此。調整時需兩顆螺絲一起調整（以兩手一起調，一放鬆一轉緊）。因為次鏡固定座有些可調整次鏡的餘裕，所以這裡不必非常精確。

次鏡十字支架調整螺絲

看螺絲伸入鏡筒內的牙數

2.

鬆開次鏡架中央固定螺絲（十字螺絲），然後從對焦座或光軸校正器瞻孔觀看，旋轉次鏡，將次鏡45度鏡面的短軸正對著對焦筒（垂直於目鏡光軸），鎖緊。此時從對焦筒看進去，次鏡鏡面應該至少上下對稱於主鏡的光軸這條假想線，若沒有表示鏡面並尚未轉正（再次調整鏡座），或十字鏡架並未調整好（調整十字鏡架，讓次鏡朝相對於對焦筒上下的方向移動）。

3.

接著調整三顆次鏡調整螺絲，從光軸校正器的瞻孔觀看，將主鏡的映影調整到次鏡中央，（可利用主鏡的三個固定支架做參考），必要時再鬆開固定螺絲旋轉次鏡。調整好後從對焦筒或校正器瞻孔望去次鏡鏡面應會同時呈現一個完美圓形，主鏡映像與次鏡鏡面輪廓成為同心圓。

調整好次鏡後從對焦筒看進去的情況，主鏡映影、次鏡鏡面輪廓與對焦筒輪廓三者調成為同心圓。從主鏡投射過來的次鏡輪廓可看出次鏡相對於十字鏡架中心的pre-offset（屬正確的現象）。

在正常情況下（望遠鏡出廠時有預先校正過一次光軸），此時觀看次鏡鏡面輪廓與對焦筒輪廓兩者應該也會自然成同心圓。若沒有則需調整次鏡固定螺絲讓次鏡沿主鏡方向直線前進或後退，先讓主鏡映影與對焦筒輪廓調成為同心圓。然後調整十字鏡架讓次鏡朝靠近或遠離對焦筒移動（從對焦筒看主鏡映像在次鏡面上會移動）讓主鏡映像移入次鏡、對焦筒中央。

若以上步驟都無法將三者調成同心圓，則可能對焦筒歪斜需調整。

＊在某些情況下次鏡稍微地偏離同心圓（即次鏡沒有offset到精細的尺寸）不會有影響，即次鏡與其他輪廓成同心圓此一條件非必要，原因在後面詳述。

4.調整主鏡角度，將主鏡中央的mark移至與光軸校正器的瞻孔重合（成同心圓），並且會與主鏡、次鏡成同心圓（從主鏡反射過來的次鏡黑影輪廓中心則會相對於十字支架呈現offset的正常偏移。），這樣光軸校正便完成了。

調整方式為先將三個頂緊用的螺絲（細長螺絲）轉鬆，然後一邊從瞻孔觀看一邊調整三顆調整螺絲，調整好之後再將三顆頂緊螺絲頂緊。

注意不能頂得太鬆，否則稍微一震主鏡就會位移。但也不能頂得過緊，否則觀測時的星像將會有像差變形出現。所以勢必要在觀測現場再確認光軸是否需要重校，因此雷射光軸校正器是免不了要攜帶的，在黑夜中才方便校正。

校正完成後從光軸校正器的瞻孔拍攝的畫面：

次鏡十字架的中心會是所有同心圓（次鏡offset的輪廓除外，此為正常，詳後）中心，即主鏡光軸中心。

光軸校正完成（準直）的光路示意圖，對照上面的照片便可一目瞭然：

為避免線條太密光路圖省略光軸校正器斜鏡中央的孔以及主鏡中央的圓圈記號（這兩者也會在中央重合成同心圓如前面照片所示）。

從光軸校正器瞻孔看到的次鏡上的影像

短焦比的牛頓鏡（本篇使用“短”字取代“小”，以避免與我們常說的光圈大小混淆）—通常指焦比即焦距除以口徑得到的值比6小, fast Newton—的次鏡便須要做offset的修正。

次鏡 Offset 偏心量＝ (主鏡口徑 x 次鏡短徑) / (4 x 主鏡焦距) ＝ 次鏡短徑/( 4 x焦比）

SkyWatcher 150 F/5這隻的次鏡已經相對鏡座預先做了pre-offset，所以支架無須再做偏置offset。

校正時直接將對焦筒內緣輪廓與次鏡鏡面、主鏡映影調整同心圓，就可以看出次鏡的offset了。

Offset為次鏡鏡面中心向遠離對焦座方向，及向主鏡方向分別偏離主鏡光軸與目鏡光軸的距離。(offset後的次鏡鏡面中心點，與兩光軸交於次鏡鏡面那點的距離為offset*√2)

註:

*高橋的 epsilon 牛頓鏡則是次鏡座整個相對於鏡架做pre-offset的固定，光軸仍通過鏡架中心。(與skywatcher的鏡片 pre-offset 又不太一樣)

＊若短焦比的牛反（例如skywatcher 此鏡F5或更短）沒有做offset的情況，主鏡的光線有可能無法全部反射到次鏡上，也就從對焦筒看主鏡鏡面無法完全投影於次鏡內，即會有漏光。

如下圖是模擬non-offset的情況，圖中若次鏡再稍微小一點時，主鏡反射過來的光束將有一側會超出次鏡的面積。注意在沒有offset的情況下對焦筒、次鏡反射的主鏡輪廓從主鏡反射的次鏡的輪廓、從主鏡反射的校正器斜鏡都會呈現同心圓且中心，即光軸中心並無改變，但從對焦筒看過去的次鏡本身的反射面輪廓並不會與前述諸輪廓呈同心圓。

Non-offset（光軸通過次鏡中心）

*只要能夠涵蓋整個主鏡的投射圓，即從對焦筒看次鏡可以看到完整的主鏡投影，次鏡反射面稍微偏離同心圓是沒有問題的，例如稍長焦比的就可以忽略做offset。（但為了減小次鏡遮蔽率，通常設計次鏡大小都會設計到盡量能利用到整個次鏡鏡面去反射主鏡來的光線，也就是次鏡能小就小，故大光圈一定都有offset。）

無論是否需要offset，主要要調整的目標是一樣的，就是讓目鏡與主鏡的光軸正交並交於次鏡鏡面上，這點是不動的。以此點為中心，讓對焦筒或目鏡座（2"或1.25"）的內圓（通常是看從主鏡反射回次鏡的光軸校正目鏡內的斜鏡的影像比較清楚）、光軸校正目鏡中央的瞻孔、投影在次鏡上的主鏡中央的圓形標誌、主鏡投影輪廓等成同心圓。

從上圖也可看出目鏡座/目鏡的角度、次鏡的角度、主鏡的角度三者是主要影響因素，至於關於次鏡中心相對於光軸的垂直或平移方向的offset偏差，只要保持兩正交光軸的交點在45度的次鏡鏡面上，那麼offset的值僅會影響到次鏡是否能夠反射到所有來自主鏡的光束。

＊調焦座（目鏡座）必需先校正好讓目鏡光軸能垂直交於主鏡光軸。

調焦座/目鏡座是精準的，同時次鏡的45度反射面需通過兩光軸交點，則校光軸才會準確。此後校光軸時只需靠三顆螺絲校正次鏡角度，自然等到調整到正確的45度，從雷射光軸調整器射出的光線才會反射至主鏡中央（除非主鏡固定時就不準），然後再校正主鏡角度。

＊次鏡架整個offset的機型

使用次鏡架與次鏡座offset的型式

*如果是用鏡架向遠離對焦座的方向offset，務必記得次鏡也需向主鏡方向offset，否則目鏡的光軸與主鏡的光軸無法重合。

＊可在兩光軸交於次鏡面的那點先做記號，也就是從次鏡面中心（先找出次鏡面中心）沿著鏡面長軸向觀測者的方向移動 offset x √2 的距離，光軸需通過那點。

在校正光軸的時候便可從對焦筒方向次鏡，先調整次鏡位置先將此點對到對焦筒的中心也就是目鏡光軸上，可用較長的光軸校正目鏡來調整，接下來便可以以此點為中心校正其他主鏡中心記號、主鏡投影輪廓、校正目鏡反射面輪廓、校正目鏡瞻孔等的輪廓的同心圓。（只要有offset的皆可如此先在offset後的次鏡光軸交點做記號。無需offset的則光軸交點即是次鏡鏡面中心，則可在鏡面中心點做記號。）

二、雷射光軸校正器：（上山後在現場使用雷射校正即可，很方便）

背後的原理與使用Cheshire是雷同的，等於以雷射光束從瞻孔處向次鏡發射，取代從cheshire斜鏡反射外部自然光或燈光至次鏡（取代前面光路示意圖的綠色部份）。

校正望遠鏡光軸步驟：

校正前，雷射沒有反射回校正器中央的孔

使用雷射前建議先透過對焦座確認次鏡鏡面是否與對焦筒內緣大致成同心圓，若偏差太多應先用目視調整次鏡與對焦筒的同心圓。確認OK後進行以下調整：

1.在對焦座裝上雷射光軸調整器，打開雷射，調整次鏡，讓雷射光束打在主鏡中央的mark中心。

2.調整主鏡角度讓到達主鏡的光束能夠反射回次鏡並打回雷射光軸校正器的中心孔。

通常眼視觀測前完成此步驟便足夠。

但因為目鏡座公差與可能的鏡片鎖固時的變形等因素，如果進行的觀測或攝影光軸準確度需要很高精度，使用工具校正後應在裝上觀測目鏡/攝像頭再以高倍率對實際星點的失焦像進行再確認的精校，尤其使用雷射校正時，目鏡座的公差是主要影響精度的來源，每次插入雷射時角度可能都有些微不同，沒有辦法像使用cheshire可以在對準主鏡mark與瞻孔重合的同時利用各同心圓做double check般穩定，同時，即使靠治具將雷射校正器插入目鏡座的公差消除了，觀測時換上目鏡，每顆目鏡的公差游隙可能又不同，若是攝影，裝上相機時也可能因力矩而讓對焦套筒些微下垂，這些都會是誤差的來源。

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PS.雷射校正器本身的光軸確認：

先確認/校正雷射校正器本身光線射出的光軸準度。

可利用Vixen的太陽投影板來校正雷射，投影板距離拉越長越好，有必要時調整雷射校正器上的螺絲，使旋轉雷射校正器時投射的雷射仍保持在一點上（目鏡座調整在接近旋緊但可容許雷射旋轉，但不搖晃的狀態）。通常雷射校正器出廠前應已校正過，所以請再三確認其準直，因為有些校正器出廠時已將螺絲孔以膠封住，所以若要調整勢必自已要把膠挖掉。

(updated: 也可以直接裝在目鏡座以投影在主鏡上來校正)

2021/11/16 updated 

 baader的雷射光軸校準器（左）, baader的雷射校準器出廠都會校正過，上方白點的記號需對準目鏡座迫緊螺絲的位置。如果是以兩隻螺絲迫緊的目鏡座就對準兩隻螺絲的中間位置。如此可確保你校正時的光軸與實際換上目鏡觀測時的光軸是相同的。