五、天顶仪

天顶仪可被看作是子午仪的一种特殊形式，用来精密测量在天顶附近中天的恒星的中天高度上的微小差异。十八世纪造出了许多这样的仪器。它主要包括一个绕一根正东西向的水平轴转动的长望远镜，此轴位于镜筒的包含物镜的那一端附近，而在近目镜那一端装有一个分度弧形式的标尺。悬挂于分度弧几何中心（它通常位于转动轴上）并与标尺垂直相交的一条铅垂线用来指示望远镜瞄准线所指向的子午圈上那一点的天顶距（地平纬度的补余）。这种仪器特别适用于测量一条子午弧两端间的纬度差和检测一颗恒星的周年视差。对于这些目的来说，在天顶附近进行观测有着受折射影响最小的优点。胡克在探寻恒星视差时曾使用过一架以某种方式根据天顶仪原理工作的仪器（An Attempt to Prove the Motion of the Earth from Observation，1674）。皮卡尔约在同一时期在他的大地测量工作中也曾运用过这种仪器。

最早的高质量天顶仪是格雷厄姆为莫利纽克斯（1725年）和布莱德雷（1727年）制造的那两架。布莱德雷藉之发现了光行差和章动。在布莱德雷的仪器上，12.5英尺长的望远镜由从镜筒物镜端处两对侧伸出的两个钢销悬挂起来；安放钢销的轴承固定在砖石建筑上。仪器的定位由悬挂在一根钢销上并与标尺垂直相交的一条铅垂线指示。标尺全长共12.5，由于应用了测微计，读数的精确性得到了提高。望远镜在悬吊于一根绳子上的重锤的张力的作用下而压住测微计的螺钉。

这一时期另一种值得注意的天顶仪是拉孔达明在南美进行大地测量时所使用的仪器；在他的《子午圈三个基本度的测量》（Mesure des trois premiers degrés du méridien）（巴黎，1751年）中载有关于这种仪器的描述，拉朗德也对之作过说明。这里从拉朗德的《天文学》（Astronomie）中引出如下说明和图解（1771—81ed. ，Vol.Ⅱ p.781ff.）。望远镜VT牢固地安装在半径CDG上，后者可绕G在子午面上自由地做偏离垂直位置的小角度转动。半径下端有一根横档AB，上面有一条刻在一个铜分度弧上的约8°的刻度弧，从弧的几何中心E处的一根销钉悬下的一根铅垂线EP横在这刻度弧上。半径从C到D长12英尺；它由彼此成直角地固定起来的扁平铁条构成，保证其坚固。它顶上覆盖着一个带有悬吊着铅垂线的销钉E的铜件EFG，其端末为一个球状头G，其颈部可在固定于有牢固支持的横梁的一个项圈中活动。这样，半径就得到了带一定程度自由的支持，观测者就可以清楚地看到天顶。横档AB长2英尺；两个舌M、M向下伸出，嵌入金属枕块m、m的沟槽中。两个枕块固定在一根坚固的梁OO上，梁OO则安放在稳固的基座QQ上，并可沿其长度方向（南北向）移动，从而使望远镜可偏离天顶向两边略微倾斜几度。当望远镜近似地置于所需的天顶距时，用螺钉r，r把梁OO夹紧，并可用螺钉m、m进行微调。望远镜的实际位置由铅垂线与刻度弧的交点的刻度示出，并且借助测微计V可得到更高的精确度。

十八世纪有几种望远镜专门用于测定太阳或一颗恒星在越过子午圈之前和之后处于相同地平纬度的时间，这些时间的平均值就是实际的中天时间。前面谈到的P.C.勒莫尼埃的中星仪就常常这样使用。罗伯特·史密斯（Opticks，Vol.Ⅱ，p.329）描述的另一种这样的仪器主要由一个30英寸长的望远镜MN构成。支持望远镜的是一根同样长度的钢轴ab；这根轴直立于一个可以说是长方形盒子之中，盒子牢牢地固定于一根柱子，轴绕其尖底端b自由转动，b置于i处的一个轴承之上，而轴的圆柱体部分e在h处的轴环中转动。这根轴上装着一个60°的小金属弧cd（如E处所示），弧的中心a位于轴ab的顶端。望远镜固定于一个金属半圆的直径之上，半圆有着与金属弧相同的半径和圆心。这个半圆正常时可在金属弧上自由滑动，由两个螺钉c、d夹住在这弧上，弧穿过半圆上一个狭缝而进入弧上的孔中；只要旋紧这些螺钉，望远镜就可夹持在地平线上任何所需的仰角上。为使轴ab处于垂直位置，可通过旋动螺钉而移动基座i，直到在轴慢慢转动时气泡水准器1m仍保持水平状态为止。当望远镜被夹持于某一位置时，就成了一个高度方位仪，扫出一个等地平纬度的圆。在子午圈东侧选择一颗星，用地平纬度固定的望远镜跟踪这颗星，使这颗星保持在视野中两根垂直线之间（k），记录下它越过五根水平线的每一根的时间。当这颗星越过子午线后又进入仍处于相同定位的望远镜的视野之中时，再把它越过五根水平线的时间记录下来，而这十个时间的平均值便取为这颗星的中天时间。