本文是《深空摄影器材从观望到破产系列》系列的一部分：
- 深空摄影器材从观望到破产（零）——引子
- 深空摄影器材从观望到破产（一）——入门指南
- 深空摄影器材从观望到破产（二）——赤道仪的选购
- 深空摄影器材从观望到破产（三）——天文相机的选购
- 深空摄影器材从观望到破产（四）——望远镜的选购（本文）
- 深空摄影器材从观望到破产（五）——控制系统的选择
这篇文章主要讨论主镜（Optical Tube Assembly, OTA）的相关指标和选购标准。主镜的作用相对简单，它就是一个接收光子的筒，将来自遥远的暗弱星光聚焦到一个很小的成像圈内，从而大幅提升光线的亮度。通过这种方式，再加上相机的长时间曝光，我们可以看到遥远地方的暗弱天体。如果说相机是一个时间上的放大器，那么主镜就是一个空间上的放大器。
主镜的核心指标主要有两个：一个是效率，也就是单位时间、单位平方角秒的信噪比。这个定义有点抽象，直观地说，就是大家都拍同一个目标，拍同样多的时间，把它放到一样大的尺寸，然后看谁的噪点更少。另一个核心指标是分辨率。直观地说，就是星点圆不圆，是不是奇形怪状。
信噪比
影响望远镜信噪比（或者说效率）的因素有很多，其中最关键的因素是口径。如果把主镜看作一个接收光子的桶，那么口径就是这个桶的直径。口径直接决定了单位时间内主镜能接收到的光子数量，从而影响效率。另一个参数是焦比，它可以直观地理解为在固定口径下主镜的放大倍率。焦比越慢（或F数越大），放大倍率越大；焦比越快（或F数越小），放大倍率越小。
在大多数情况下，焦比的大小并不改变单位平方角秒的性能。换句话说，它只是放大或缩小了拍摄物体的大小。但注意，我们之前提到的效率中有一个步骤是将成像缩放到相同的物理大小，所以通过焦比进行的放大和缩小并不影响最终的性能。因此，在大多数情况下，焦比本身不影响主镜拍摄的效率。
除了通过改变望远镜的原始设计来改变焦比外，还有一种改变焦比的方法是减焦镜或增倍镜。类似之前的分析，单纯地通过加减焦来改变焦比并不会影响主镜的效率。但有一个例外，那就是接片。在拼接马赛克图像或者拍摄物体无法在主镜的视野中完全放下时，主镜的效率完全取决于焦比，而与口径无关。在这种情况下，口径仅决定分辨率，而不会影响信噪比。这个分析相对复杂，我们将在后续文章中详细讨论。感兴趣的同学可以在维基百科上查找关键词"Entendue"了解更多信息。
分辨率
在分辨率方面，最核心的是主镜作为一个光学系统，它对于各种不同的像差纠正有多好，例如彗差、色差等。这直接决定了主镜在不同的成像区域的星点。在很大程度上，不同原理的主镜，如折射、牛顿反射式或RC等，都是通过不同的光学设计来侧重不同像差的修正。这篇文章不打算具体深入每一种不同原理的主镜的光学设计原理，但基本上不同原理的主镜会带来不同程度的像差修正，也会直接决定星点的好坏。
对于传统的摄影镜头来说，对分辨率比较直接的分析工具是MTF，也就是观察这个镜头在特定的成像区域能够分辨出多密集的线对。对于天文望远镜来说，因为我们拍摄的物体不是现实生活中各种复杂的纹理的物体，而是单纯的恒星星点。因此，一个非常直观简单的衡量像差纠正程度的方法就是拍摄一个星点或者仿真一个星点，看看它在这种光学设计下所成的像的形状。一个对于像差纠正非常优秀的望远镜，它所成的星点应当又圆又细。但是，像差纠正不好的时候，我们会发现星点会有色圈或者很粗，或者呈奇形怪状比如鸽子形等。
但是，在这个过程中，我们还是漏了一个因素，就是由于光学设计等原因，在靶面的不同位置所呈现的像的像差纠正程度也是不一样的。比如，很多镜子在靶面最中心的像差纠正最优秀，因而星点最细。但随着成像区域向着靶面的边缘，尤其是比较大的幅面，如全幅边缘靠近的过程中，取决于具体的光学设计，这个星点会或快或慢地逐渐劣化。这就牵扯到另一个关于分辨率的关键指标，就是成像圈。
成像圈
成像圈有两层含义。第一层是一种成像的缺陷，称为暗角。假设靶面中心的亮度为100%，在成像区域向靶面周围逐渐外移的过程中，亮度会逐渐降低。当靠近靶面边缘时，亮度逐渐变暗的现象叫做暗角。通常，当暗角降低到一定程度，如60%时，我们认为此时的成像已经不可用。这个亮度极限就是成像圈定义的一种，叫做亮度成像圈。
第二层含义是成像还有一个极限是像差纠正的程度。当跨越某个距离之后，主镜所呈的像可能会因为某些像差纠正过差而导致星点完全崩掉。此时，我们认为这个距离也是一种成像圈，叫做光学成像圈。通常，大家所说的成像圈是二者之间取较小的值。
需要注意的是，各个厂商对于成像圈的定义往往都是不一样的，因此不同厂商之间的成像圈往往是不可比的。而且，在历史发展的不同阶段，随着CMOS像素的不断变小，成像圈的定义也在不断变化。例如，高桥106在过去9微米的CCD时代，可以认为有88毫米的优秀成像圈。但是，当现在CMOS发展出3.76微米的小像素CMOS传感器之后，FSQ-106在色差纠正方面的缺陷就逐渐暴露出来，一般认为它的成像圈可能刚刚好可以覆盖全幅。
星点图
如果我们把星点和成像圈结合起来，使用一个类似MTF的工具去分析他，就得到了星点图这个工具。它可以系统地描述这两者之间的关系。它通过光学仿真模拟出一个点光源在成像平面的不同位置时，所呈现的星点形状。这个模拟不仅针对单一波长，还会针对从红光到紫光的多个波长进行模拟，因此可以看出像差、像散和色差等光学缺陷。星点图是一个快速评估主镜成像素质的工具。
但是，使用星点图时要注意一些问题。首先，星点图是通过光学仿真实现的，而仿真软件中要模拟的像差可以由厂商指定，因此不同厂商的星点图往往不能直接进行比较。其次，在读图时要注意一些陷阱，如格子大小和星点大小。同时应当始终注意核心指标应该是角分辨率，而不是星点大小。换言之，不是说星点更细就说明这个镜子更好，我们还需要看它的焦距。对于长焦望远镜，由于焦距长、放大倍率大，星点比非长焦同口径望远镜更大，这是正常的。这并不意味着它的素质比另一个望远镜更低，而应该在计算它们各自的角分辨率后进行判断。
第三个问题是，大多数光学仿真软件在计算星点图时只考虑了几何光学，而没有考虑波动光学。这引出了另一个与分辨率相关的因素——衍射。由于衍射的限制，即使是再好的望远镜，对于点光源的成像也不是一个无穷小的点，而是一个很小的圆面（艾里斑）。这个圆面是物理限制，无法通过光学设计突破。因此，在很多星点图上都会有一个虚线圈，表示这是衍射极限，或者说是艾里斑的大小。很多星点图的仿真结果比艾里斑还小，这是因为仿真过程没有考虑衍射，而仅仅考虑了各种像差的模拟。
视宁度
最后一个与分辨率相关的因素是大气扰动，或者称为视宁度。这对于大口径镜子或长焦距镜子尤为重要。经验上看，在焦距超过1000毫米到1500毫米之后，主导分辨率的因素就不再是镜子对望远镜的像差纠正，而逐渐转向大气扰动。一般来说，很好的视宁度可以支持0.5到1角秒的星点，一般的视宁度可以支持1到2角秒的星点，而2角秒以上的星点则表示视宁度较差。即使镜子的光学分辨率超越了这一极限，在有大气抖动的情况下，除非使用昂贵的自适应光学，否则也无法突破这一极限。
其他指标
在信噪比和分辨率这两个核心指标之外，望远镜还有一些其他的指标。虽然这些指标不是特别关键，但在选购望远镜之前，我们需要确保没有无法接受的短板。主要的指标包括第一价格，第二重量。关于重量，有一种观点认为望远镜重量大是质量好的证明（built like a tank），但实际上并非如此。重量上是工程设计的一方面，涉及到强度、材料、成本等多角度的权衡，而且与力学设计通常也有很大关系。
一般来说，使用碳纤维材料可以极大地增加材料的刚度，并在保持强度的情况下减轻重量。但同时，它也会带来加工上的复杂度和成本的提高。传统的金属材料可以实现强度、重量和成本方面的较好平衡，但它也会带来热平衡与焦点偏移的问题。
对于镜筒长度会直接影响成像效果的光学设计，例如折射镜，在温度变化过程中，一方面玻璃本身会有热胀冷缩，另一方面镜筒的金属材料也会有热胀冷缩。二者结合会导致镜子的光学特性发生微小变化，表现在望远镜的成像上就是焦点会发生偏移。这就是为什么我们在长时间拍摄时，刚把镜子拿出去之后需要进行热平衡的原因。在热平衡完成之前，我们需要定期进行自动对焦，或者采用某些算法对焦点进行补偿，以解决焦点偏移的问题。
此外，不同的主镜设计对于结露也有不同的影响。所谓结露是指望远镜的成像平面上出现水珠的现象。这是因为当望远镜刚刚搬出去的时候，它的温度高于周围的温度，但随着拍摄的进行，望远镜本身不断向周围辐射热量。由于镜身和镜筒材料的物理特性，它辐射热量的速度往往比空气的降温速度还要快。因此，在经过一段时间后，在某些特定条件下，望远镜可能会比周围空气更冷，这时就有可能出现结露的现象。
需要注意的是，有一个广泛的误解认为结露和空气的露点有关。我个人认为这种观点是错误的，因为空气的露点只会导致空气中出现水珠，或者说你肉眼可以看到空气中有雾或云。但是，望远镜结露的原理与空气完全不同。这就是为什么有时候你周围看不到可见的小水滴、云雾等，但望远镜已经开始结露的原因。
另一个因素是星芒。对于大多数镜子来说，星芒通常不是问题，只有在两种情况下需要注意。第一种情况是在RASA等主焦望远镜中，当走线不好时，会出现一个一字形的星芒，这种星芒非常不美观。为了解决这个问题，可以通过3D打印支架将其改成十字形的星芒，或者通过3D打印波浪形的支架来彻底消除星芒，不过这样做需要牺牲一定的分辨率。第二种情况是在多炮牛反或多炮RC的时候，因为每一个镜子都有自己的星芒，所以在调试设备时要特别注意将所有镜子的星芒严格对齐，否则在后期会出现八星八剑的丑陋星芒。
决策
望远镜的选择是一件相对困难的事情。之前介绍的设备如赤道仪和相机，它们有明确的核心指标。不论它使用了什么技术，有多昂贵，好的赤道仪最终能使星点更细，而好的相机最终则具有高信噪比。然而，镜子的评价标准是多维度的，这些维度相互交织并与成本相关，往往构成一个不可能三角形。例如，快镜通常星点不太好，除非花很多钱。分辨率高的镜子可能有其他缺陷，如价格昂贵。因此，弄清楚自己想要什么是最关键的。刚入门时，可以选择一些便宜且不需要调整的镜子，如小折射。随着研究的深入，了解自己的喜好后，就可以做出更有效的决策。
例如我的兴趣在于广域巡天，因为广域巡天的图像大多数是马赛克，bin4，bin8出图，所以星点不重要。这时，可以选择碳桶的快镜并牺牲分辨率，以保证成本在一定范围内，同时通过多炮来增加扫天的效率。如果你很在乎星点且不想花心思调整，可以考虑高端的折射镜，如TOA-130。如果你喜欢折腾且可以接受调光轴，可以尝试中黄等镜子。
总之，不同的思路和喜好会导致对主镜的选择有不同的决策。没有错误的决策，最关键的是适合自己的决策。
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