十六吋卡式望远镜的制造
前言
国立清华大学造镜组在去年夏天制成一架德式镜架8吋牛顿式望远镜后，在师长的鼓励、引导与校方的支持下，本着浓厚的兴趣和坚定的信心，利用既得的一点经验迈进一步去着手制造一架叉式镜架16吋卡式望远镜（该镜全套除了16吋主镜外，还有一架8吋卡式寻星镜，请见照片一），此镜可从基本构造原理上具备这些优点：
（一）观测中天时，叉式架可免除德式架要转来转去的缺点。
（二）目镜座置于镜板后面，观星较方便；若要加上照像设备时，也较易平衡。
（三）卡式镜所需筒长较短。
这架16吋镜镜身庞大，不像一般小型望远镜那样的移动方便，于是天文台的建筑与镜身的筹制同时开始，经过不断的努力，全部工程终于去年年底完成，如今清华天文台已矗立于清华物理馆顶（照片二）。
本文要写出关于制造16吋镜镜身的方法；分上下两篇。上篇是说明镜片部分的磨制过程，下篇是有关镜架部分的设计情形。
上篇　镜片的磨制
卡式望远镜的次镜是一个凸双曲面镜（可参考本刊第三卷第3期丘宏义先生文），它的特征是具有一个焦点（几何焦点）和一个轭焦点。这种次镜可将几何焦点上的虚像反射到轭焦点。
参看图一，若原镜P的焦点与双曲面S的几何焦点重合，即F点，则远处投射过来的平行光A,B本应成像于F，但因有双曲面次镜S，就聚像于双曲面的轭焦点C，此即卡式望远镜的成像原理。
如图一，原镜直径16吋，令焦比F＝4（即焦距PF=64吋）。若次镜直径为4吋（4吋次镜的面积仅为16吋原镜的1/16，遮住光线不多）。则次镜的几何焦距SF最大可为16吋，假若成像点C是在原镜后面16吋，则此双曲面的离心率e如图可为40/24=5/3，而次镜的轭焦距与焦距比值为64/16=4（即 (e+1)/(e-1)），又整个卡式望远镜的综合焦比便为16（若FC保持固定，则e越趋近于1+，综合焦比越大）。这时原镜中央的透光洞的直径至少要1吋。
卡式望远镜的镜筒比相同焦比的牛顿式望远镜要短很多，而且因成像于C处，若要加上分光仪等仪器，只需平衡赤纬轴的重量即可。所以，天文台的大型返光望远镜都喜用卡式，而制卡式望远镜镜片与牛顿式不同的两件工作是：
（1）磨制次镜：牛顿式需磨出平面，而卡式需磨出双曲面。
（2）原镜中央打洞。
卡式望远镜所得的像亦为倒立，而16吋镜板很重，需用磨镜机磨制。
第一章　磨镜机
本刊前几期登载的丘宏义先生「望远镜自制法」一文中曾提到镜片的手磨法——有长磨、短磨、正心磨、偏心磨、离心磨等，并且在磨一阵子后，工具板与镜板要反向各转一个角度。
设计磨镜机的原则是在模仿手磨的动作，下文介绍的三张照片是清大磨镜机的构造。B是磨臂，由角铁组成，可调节长度，它的另一端放在磨肩（照片四的H）上，B可将A传递过来的转动，部分地变成前后移动，C是磨手，接受B的推动，并且本身也由G转动。D是磨腕，由汽车上的万向接头做成，连接C和E。E是磨掌，下置工具板并将它带动；磨掌直径与工具板同大。F是木杆，可加重物施压于C乃至工具板，但不施压于B。G是马达，它使C,D,E及工具板等与镜板逆转，转速为镜板的9/11。
以上是清大磨镜机的概况，读者不一定要依照上述去设计，只需把握住原则即可，要注意的是：机器上震动得很厉害的位置的螺丝，都要加上弹簧垫圈以防止螺丝帽松动脱落，否则，后果不堪设想。
现在来说明这部磨镜机的工作情形：
（1）正心磨　当偏心轴的偏心度为零时，调节磨臂的长度和磨肩的位置，使磨手或工具板正好在16吋镜板的中央，然后再由偏心轴调节所需磨程（磨程即冲程，等于偏心度的两倍），就成正心磨。
（2）偏心磨　横移磨肩，可造成偏心磨。
（3）长磨和短磨　由偏心轴的偏心度来决定长磨或短磨。
（4）正前磨　调节磨臂的长度比正心磨时为长，便造成正前磨。此法的效果与偏心磨不同（读者可由磨手的轨迹去想一想）。
其它如正前短磨，偏心短磨等，只是两个动作的联集而已。
这部磨镜机运动时，磨手的轨迹是蛋形。磨制16吋镜片时，上面的工具板是10吋的船窗玻璃；工具板中心在镜板上的轨迹便如图二所示。镜板中部磨损较多，又有磨腕的关节装置（万向接头）使工具板和镜板的曲面一直吻合，磨出的结果，镜板便成为凹的均匀球面。当然，这是因为16吋镜板重达30公斤，推动不易，必需用上小下大的两片玻璃对磨；假若是磨制8吋镜片，仍可上下同大两片对磨（工具板在下），只需换磨掌为8吋即可。
这部磨镜机有缺点吗？答案是肯定的，症结是在磨手的蛋形轨迹。这是一种具有离心磨的效果的磨法；而这离心效果乃随着磨程的必需存在而一直存在。在粗磨和细磨时，可以不考虑这一点离心效果的影响；但在打光过程中，除了松香模面会因离心效果引起轻微变形而需常常冷压外，这蛋形轨迹更构成镜面几何化步骤的威胁。
要改进这个缺点，可将磨臂所受的偏心轴转动推动，改为单向度推动——装一个单向度滑槽，并且另外再装一个产生横向推移的单向度滑槽，以供必要时的离心位移即可。当然，这样的设计较复杂，在此提出只是供读者参考之用。
第二章　磨境计划 
清大的16吋卡氏望远镜（包括8吋卡氏寻星镜）共要磨制两个（16吋和8吋）中央有洞的抛物面原镜，和两个（4吋和2吋）凸双曲面次镜。除了2吋次镜外，其余三个都使用磨镜机。
本章要谈16吋境片的磨制步骤，至于8吋原镜，除了打洞工作需按照16吋返光镜的打洞计划的相同步骤去进行外，其余各项磨制工作都与丘先生之文所言相同——只是大部分由磨镜机代劳而已，又磨制4吋（或2吋）镜片时只须取底下那片即可获得凸面。而4吋（或2吋）凸面镜的打光工作与几何化步骤，也将在本章内作简要的说明。
底下是关于16吋主镜（不包含寻星镜）的制造过程：
（一）先将4吋次镜磨成，并打亮镜面后，收存备用。静待16吋原镜抛物面化完成后才取出来双曲面化。
（二）粗磨16吋镜片，先用60号砂后用80号砂磨一段时间，磨出所需曲率（此时镜面曲率半径要比预定值稍大）。
（三）16吋镜初次打洞。
（四）继续自80号砂磨起，然后细磨，至800号砂止（都用磨镜机正心磨）。
（五）16吋镜面打光（打光包括球面化和抛物面化两阶段）。
（六）第二次打洞。
（七）16吋原镜镀铝。
（八）4吋次镜双曲面化。
（九）4吋次镜镀铝。
（十）筹制目镜（此步骤可提前进行）。
作者将几个重要的过程详细说明于以下各节。
第一节　打洞
（一）初步打洞
在初步打洞时，不能完全打穿此洞（参看图三）。若此时打穿此洞，则细磨时，此洞将成「深渊」而损失大量磨砂；而且打光模的压制也将是一大难题。
为何此时要将透光洞打进一部分呢（这也是为何镜面需先挖圆槽深1/4吋的理由）？假如我们在细磨或打光后才打洞，则打洞器（见图四）与镜板对磨时，在磨出的圆形槽沟边缘（镜面）会有一些小玻璃碎片被带出，如此显得镜面内缘不整齐。此时先打洞的用意便是希望细磨时能将这些细碎的小痕迹消除。镜面的圆槽深度以1/4吋最适当。因若太深，则换砂时清洗镜面很麻烦。此圆槽在制打光模及打光时可用石腊或蜂腊封平（细磨时不宜封住因若封住，则换砂时还是要全部掏出来清洗）。
打洞以由正面和反面对打最安全，这项工作最要紧的是对正中心轴。对中心轴的方法很多， 图五所示是简便而实用的方法之一。假若镜板中心与转轴轴心重合，则镜板转动时，试心计尖端A与镜板外缘距离都是相同。然后将试心计置于镜板或托板上跟着旋转，同前理可用来测定打洞器的中心轴是否与转
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