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那些年, 我們一起DIY的天文望遠鏡

國中自製望遠鏡,只為一探月球奧祕;哈雷彗星造訪,從此與天文結下不解之緣。海外旅居,因緣際會下師承光學磨鏡大師。轉眼,在台灣親自指導製作的水管望遠鏡已超過1000 台。

科學月刊 第四十二卷第十期

文 / 吳俊輝

和許多人一樣,從小我就很想擁有一台天文望遠鏡,但由於價格昂貴,經常只能望著雜誌中的照片興歎。在國中一年級時(台中市居仁國中),母親便騎車載著我穿梭於台中市的各大書局和圖書館間,最後我依循幾本書中的資訊,硬著頭皮自製了兩台天文望遠鏡-用水管做的折射式望遠鏡和用廢木料做的牛頓式望遠鏡(圖一),其中的光學元件都是取材自日常生活中,如化妝鏡、老花眼鏡、放大鏡等等,所以光學品質並不理想,但因口徑不小,仍可以看得很遠。

圖一:(A)1983 年我在國中一年級時所自製的折射式水管望遠鏡,口徑10 公分

圖一:(B)1983 年我在 國中一年級時所自製的反射式(牛頓式)望遠鏡,口徑20 公分。

我原本只是想用望遠鏡親眼證實月球上的確有嫦娥或是其它生物存在,因為每每仰望月球時總覺有黑影晃動。結果我只找到了令人失望的答案。事隔兩年,在1986年的3月,哈雷彗星造訪地球,當時國三的我便利用這兩台自製的望遠鏡配合傳統的底片相機和以鐵絲及水管自製的轉接環,在台中的中興嶺上清楚拍攝到了它的蹤影(圖二)。該照片在學校引起不小的騷動,自此我便與天文結下了不解之緣。

圖二:1986 年3 月,我在國三時用自製的望遠鏡所拍 攝到的哈雷彗星,由於翻拍自舊照片的關係所以只見電 漿尾而看不清塵尾。

精 進

雖然後來走上了專業天文的路,得以使用世界級的大口徑望遠鏡進行研究工作,但卻仍對如何自製望遠鏡、尤其是徒手磨鏡有莫名的憧憬,因為這是自小的缺憾。1999 年我自英國劍橋大學霍金教授的相對論小組獲得宇宙學博士學位後,便到美國柏克萊加州大學(U.C.Berkeley)任職,因緣際會認識了一位製作望遠鏡的名師蘇拉科夫斯基(Paul Zurakowski),他是史上第一位獲得「柯利弗霍姆斯獎」(RTMC’s Clifford Holmes Award,授予對天文普及具貢獻者)的人(於1978 年獲獎),小行星「12321」更是以他命名。在他門下,我一邊擔任義工一邊學習了兩年多,不但學會了徒手磨製一流光學非球面鏡的技術,還學會了許多量測及修正鏡片的技術,這些都是決定一台望遠鏡好壞的主要關鍵。

至此,心中感到充實萬分,長期以來夢想中的破洞總算補起來了。他告訴我,許多一流的非球面光學鏡片,其實都是仰賴手工打造出來的,除了靠經驗之外,有時還得倚賴準確的第六感,這並不是每個人都學得來的,所以他要我珍惜自己所擁有的能力。

無心插柳柳成蔭

返國服務後,自2003 年起連續四年獲得教育部顧問室「基礎科學人才培育計畫」補助(特別感謝褚德三教授、郭重吉教授、呂助增教授的支持),成立了台大望遠鏡製作實驗室,原本只是想帶著物理系的學生作點基礎性的研究和訓練,但沒想到受到顧問室的青睞與鼓勵,連續給了我們三年的全國優等獎並另案補助於2004 年辦理第一屆全國望遠鏡製作研習營(圖三),從徒手磨鏡開始,並以水管作為鏡身的主體材料。

圖三:2004 年由教育部顧問室主辦的第一屆全國望遠鏡DIY 研習營,鏡片皆由徒手磨製。

我們的實驗室另方面也同時協助國內外的計畫進行望遠鏡光學設計及測試工作( 例如A M i B A 宇宙望遠鏡計畫、POLAR 計畫),同時也有能力自製中大口徑的望遠鏡。目前國內第一大自製望遠鏡「南瀛天文台」(圖四)及第二大自製望遠鏡「台大溪頭鳳凰山天文台」皆是由我所主導規劃監造的。

圖四:南瀛天文台(口徑76公分牛頓式)於2006 年8 月驗收時所攝。圓頂結構的頂部還藏有當時的 縣長蘇煥智和我的簽名。

教育部的計畫雖然於2006年即告結束,但之後很神奇地在沒有任何經費支助下,望遠鏡DIY的活動竟如柳成蔭般地開花結果,每年先後皆有不同的單位接洽主辦。目前還保存有的資料顯示,自2 0 0 9 全球天文年至今,在我親自指導下全國已製作出超過一千支以塑膠水管及木材為主幹材料的天文望遠鏡,俗稱「水管望遠鏡」,在網路上已有許多網友分享資料,也有中國時報、蘋果日報、自由時報等多家平面及網路媒體報導過,這都是始料未及的。其中的參與者從小學生到年近八十的民眾都有。在這些營隊中,有的是從徒手磨鏡開始,有的則是使用半成品搭配水管和木料以土法製作(圖五)。過程雖然辛苦,又占用許多和家人相處的時間,但總希望不會有人再像我小時候一般無奈,希望能多啟發一些科學人才。支持我一直走下去的,其實就是學員們滿意的笑容,和細數不完的感謝信及成果照。

圖五:DIY 營隊的水管望遠鏡設計已演進至第六代,其中並教導如何徒手磨鏡。

實 作

望遠鏡的打造主要分作三大步驟:鏡片製作(包含磨鏡及鍍膜)、鏡身打造、以及光學校準(圖六)。過程中的「磨鏡」是最關鍵也是最具技術性的步驟,畢竟鏡片是望遠鏡的心臟,所以其市價主要是貴在這個部份。就反射式望遠鏡而言,其主鏡片材料費其實並不高,主要是貴在製作工錢,因此磨鏡DIY 的主要價值之一便在於此,以下將作簡要的介紹。

圖六:我向DIY 營隊演示自製望遠鏡的概念流程。

「鍍膜」則是有工業界可以支援,只要花點錢即可解決,但在上述教育部計畫的補助下,我自行設計了一台900X750 公釐的真空蒸鍍機(圖六左下),是目前台大物理系最大的蒸鍍機,最大可以處理直徑720公釐的鏡片,可以自動控制鍍多層膜,半小時內即可完成一個循環,且真空度高達10-6 托( torr ,壓力單位)。「鏡身打造」則是自製望遠鏡的重要樂趣之一(圖七),可以自由發揮創意使用不同的材料來進行,懂一點機械及電子學的人甚至可以自製追星用的赤道儀。最後「光學校準」則是極重要卻常被忽略的步驟,基本上就是要將各光學元件的光軸對齊,以減低各類像差的產生。

圖七:用大小水管及吉他調弦器拼組而成的口徑20 公分望遠鏡。
接下來將針對最具關鍵技術的「磨鏡」部分作進一步地說明。望遠鏡分為折射式及反射式兩類,後者的優點多,包括材料價格低( 因為不需透明的材料)、製作時程較短(因只須磨一個面)、機械結構較易建造( 因為主鏡在下方所以重心低)、沒有色散問題(因為採用反射原理而不是折射)等。因此不但世界級的大型望遠鏡皆已採用反射式,一般自製時也是以反射式為主。反射式的主鏡是拋物面鏡,其磨鏡過程可大致分為三步驟:「研磨、精拋、拋物面化」。自製時可以選用的材料頗多,一般雖多用玻璃,但也可使用陶磁材料,只要分子結構夠細緻即可。在「研磨」時,將未來的鏡片玻璃壓置於俗稱的「工具」之上,中間夾以磨粉和水(常用的磨粉為氧化鋁或氧化矽),將玻璃來回推拉,並一邊旋轉以減小系統誤差(圖八)。

圖八:(A)實作,磨鏡時的基本建置。

圖八:(B)實作,我示範磨鏡。

經過數小時後,物理定律便很神奇地將上方的玻璃磨成凹面,而下方的工具便形成凸面。過程中可利用三腳球徑儀、或直尺配合電鑽頭的土法來量測曲率半徑,直到快到目標曲率時,即可將磨粉換成較細的規格,讓原本粗糙的表面越來越細,最後變成毛玻璃般。接著進入「精拋」的階段,需要將原本的工具灌製上一層瀝青(圖六中),並將磨粉換為拋光粉(一般常用氧化鈰或氧化鐵)。繼續一段推拉的時間後,原本毛霧的玻璃表面便會漸漸光亮起來,等到全部亮起來後,此時的玻璃表面已大致呈球面。接著須要將其「拋物面化」,工具不變,只是原本簡單的直線來回推拉路徑,要換成「8 字形」或「W形」的路徑,以讓鏡片四周的曲率相對於中心漸漸減小,逼近拋物面。這是最難的步驟,因為W要多大、或是8字要多大,都是問題,技術好的話一下就完成了,抓不到要領的、或是之前一直有不良研磨習慣的,則會耗上很長的時間。

在這個步驟中,我們還得仰賴「干涉儀」來判斷施作的品質及進度。以一個直徑10 公分、焦長為100 公分的圓鏡而言,其球面和拋物面如果在中心相切,則在邊緣上只差大約100奈米,也就是如果要將一個球面鏡拋物面化,則需磨除的部分在鏡緣上只有約100奈米!如此小的差異就得靠干涉儀來量測(參考圖六中的直條紋干涉圖)。我們所教導製作的干涉儀利用人人自家可製的簡單光柵和LED 光源,成本大約只有100元不到,效果卻很好,再配合自撰的模擬軟體,即可將拋物面的誤差控制在100奈米以內,如再佐以刀邊測試,則可將誤差下修到2 0 奈米以內。很多人在親自體驗之前,都不敢也不願相信這一切皆是以徒手完成!徒手磨鏡在台灣數十年前即已有人陸續嘗試,並非新鮮事,而我們這裡所不同的是,對於最終階段的品管以及改進的技術,這也是掌控一面鏡片好壞的關鍵。以上的這些步驟其實都不難,但要知道要領;材料也不貴,但要找到合適的。當你徒手完成一片奈米精度的鏡片時,這一切辛苦所換取的便是無法言喻的喜樂。

眼見為憑

很多人在參與我們的活動之前,多半懷疑我們的水管到底能不能用?圖九是一位嘉義和興國小的學生所自製的水管望遠鏡,由於其家中經營汽車烤漆,便將水管外表烤上最高級的汽車烤漆,使其質感瞬間提升數百倍。重點是,這樣的東西能用嗎?

圖九:土味十足的水管望遠鏡在汽車烤漆的塗裝加持後,瞬間升級!

我們營隊活動的重點之一,便是教學員如何以零成本或低成本進行天文攝影,方法有很多,最簡單的就是利用自己的手機相機或家中的傻瓜相機。圖十是用手機相機直接搭配水管望遠鏡(無加裝其它任何配件)所拍攝到的太陽黑子、月球表面、及木星木紋。圖十一是從台大物理系頂樓於夜間使用水管望遠鏡所攝得的101 大樓。參加過我們活動的學員手機中,都有無數和此處類似的照片。

圖十:以手機相機直接搭配口徑11.4 公分的水管望遠鏡所拍攝到的(A)太陽黑子(使用A4 紙直接投影)、(B)月球表面(2010.6 月偏食),以 及(C)木星,皆攝於市區。

圖十一:夜間自台大物理系頂樓使用水管望遠鏡所攝得的101 大樓。

除此土法外,我們也教營隊學員如何改裝一般的平價USB網路攝影機,配合免費卻很專業的疊圖軟體(Registax),讓其瞬間變成天文專用攝錄影機(圖十二),此法可搭配個人筆電,於夜間進行天文攝影或於日間進行賞鳥,或於大運動場中觀看比賽。依此法所攝得的照片,其品質已可媲美專業天文照片,而成本卻只有數百元。由於我們教製的望遠鏡口徑都在10 公分以上,集光力多在250 倍以上,所以即使是在市區,只要天候正常,都可以進行觀測,本文所展示的天體照片,都是在台北市區內所攝,若在無光害處拍攝其效果將會更好。我們也曾在仁愛路邊及台大校園利用水管望遠鏡辦理數次的觀星活動,民眾無不驚喜萬分。重點是,我們的DIY望遠鏡成本都很低,以十多公分的口徑為例,我們的製作成本僅約三千元左右,這和市售動輒數萬元的天文望遠鏡相比,就效能而言有過之無不及,其中的關鍵就在於我們自製的鏡片其精度都較市售的品質為高;即使是使用現成鏡片的營隊,其每一片鏡片都是由我親自使用干涉儀一一檢測過後才發出去,凡是精度不達要求的(八分之一波長),都一律退回給廠商。至此,所謂「低成本、高效益」,應是相去不遠矣。

圖十二:由一般PC 用的網路攝影機所改裝成的天文望遠鏡專用攝錄影機。

山寨營的出現

多年推廣下來,該營隊活動其實也引起廠商和部分科教人員的注意,近年已有數起所謂的山寨營出現。原本推廣是件好事,但仿效的人多半只學半套,也就是製作出來的望遠鏡外觀和我們的很像、或是購製使用和我們規格相同的零組件,但最終所呈現的影像品質卻大大不如我們,其原因在於所使用的光學元件並沒有像我們一樣在精心檢測通過後才發給學員,或是在DIY 的最後並沒有進行精確的光學調校(見圖六的第3步驟)。台灣的光學元件供貨商畢竟還是良莠不齊,許多賣出來的貨其實都沒有達到所標榜的光學精確度,而一般民眾大多也沒有能力查察。有些更惡劣的主辦單位甚至收取學員高額的學費;口徑1 1 . 4 公分、焦長91 公分的望遠鏡其總材料費明明才大約三千元,卻要價四、五千元以上,而所使用的材料其光學品質也未達規格,實在令人感歎。

未來展望

近年來由於沒有固定的主辦單位,加上自己還是以學術研究工作為主軸,所以常會不得已要推辭掉一些主辦單位的邀約。所幸目前已有台南的南瀛科學館開始規劃長期的營運,積極要讓該活動上軌道,實在是南部人的福氣。目前我們規劃於2011 年底前,將在南瀛科學館開辦全國第一梯口徑15 公分的平價高精度望遠鏡DIY 研習營,希望能將這個系列活動向上昇華,讓貴族天文平民化!

圖十三:那些年,我們一起DIY 的天文望遠鏡——我與我的望遠鏡DIY 營隊們。

而民眾也常問我:下一梯將在何時辦在哪裡?有沒有專屬的網站可以參考?這些問題其實都讓我一再掙扎,因為自己的時間實在有限。目前我只有一個建置已超過1 5 年的英文網站提供DIY的資訊(就掛在我台大的個人網站上),目前計畫將其重整,提供更好的資訊,以便能讓更多的人受惠。另外我們在全國已組成了一個志工團(特別感謝發起人兼團長許麗香小姐),目前負責擔任各地DIY 營隊的助教人力;凡是參加過我們望遠鏡DIY營隊的學員,都有資格加入我們的志工團。如果你有資格、想加入而未加入,也都隨時歡迎你和我連絡。

真的很感謝全國各地有一群熱心的路人甲相挺和相助,讓這個活動能一路走到今天。

結 語

兒時的自製望遠鏡造就了今天的我,也造就了許多科學家。關於望遠鏡DIY 一事,或許是為自私的夢想,或許是為啟發更多的後進,我都得感謝母親當年騎車載我奔走街巷、感謝蘇拉科夫斯基的傾囊相授、感謝當年褚德三教授的支持及鼓勵、感謝各地路人的大力相挺、感謝上天讓我心想事成。願有夢人終能成大事,共勉之。(本文圖片皆由作者提供)

吳俊輝:任教台灣大學物理系暨天文物理研究所

科學月刊 第四十二卷第十期

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