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基本信息
| 中文名 | 反射望遠鏡 |
| 外文名 | Reflecting telescope |
| 原理 | 反射光線 |
| 學科 | 天文物理學 |
| 面鏡 | 曲面和平面 |
| 類型 | 光學望遠鏡 |
收起
簡介
基本認識
用反射鏡作物鏡的望遠鏡。反射望遠鏡光學性能的重要特點是沒有色差。其他像差在理論上雖然可以得到消除，但工藝復雜，實用的反射望遠鏡為了避免像差，視場一般比較小，可以通過像場改正透鏡擴大視場。反射鏡的材料要求膨脹系數(shù)小，應力較小和便于磨制。鏡面通常鍍鋁，在紅外區(qū)及紫外區(qū)都能得到 較好的反射率。反射望遠鏡的鏡筒一般比較短，便于支撐。
現(xiàn)代高科技反射望遠鏡還具有鏡面自適應光學系統(tǒng)和主動光學系統(tǒng)，可以補償大氣擾動干擾和鏡面應力及風力引起的變形抖動。中國目前最大的光學望遠鏡是2.16米。目前世界上最大的望遠鏡是位于夏威夷的凱克望遠鏡，直徑10米，由36面1.8米的六角型鏡面拼合而成，耗資一億三千萬美元，主要是由美國的一個企業(yè)家凱克捐助修建的，第一面凱克望遠鏡建造成功后，凱克基金會又投資修建了凱克二號望遠鏡，兩座挨在一起，威力無比；另外的大型望遠鏡有美國國立天文臺位于南北兩半球的兩個八米望遠鏡，一座位于夏威夷，一座位于智利，合稱雙子座望遠鏡；日本人在夏威夷建造了一座八米的稱為昴星團望遠鏡；下世紀歐洲南方天文臺將建成四座八米望遠鏡，組合口徑相當于15米。
技術(shù)考量
一個彎曲的主鏡是反射望遠鏡基本的光學元件，并且在焦平面上造成影像。從面鏡到焦平面的距離稱為焦長（焦距），底片或數(shù)位感應器可以在此處記錄影像，或是安置目鏡以便眼睛能觀看。反射鏡雖然能夠消除色差，但是仍然有其他的像差：
反射望遠鏡
- 彗形像差
- 畸變（視野）
在反射器的設(shè)計和修正上會使用折反射器來消除其中的一些像差。
- 在采用透鏡之下，必須整塊鏡片材料皆為沒有缺點和均勻而沒有多相性，而反射鏡只需要將一個表面完美的磨光，磨制相對簡易。
- 反射鏡可以在更廣闊的范圍內(nèi)研究光譜，但有些波長在穿過折射鏡或折反射鏡的透鏡時會被吸收掉。
- 大口徑透鏡在制造和操作上都有技術(shù)上的困難。其一是所有的材料都會因為重力而下垂，觀測舉得最高而且也是相對較重的透鏡只能在鏡片周圍加以支撐，另一方面，面鏡除了反射面以外，可以在反射面的背面和其他的側(cè)邊進行支撐。
當業(yè)余天文學還在使用牛頓焦點的設(shè)計時，專業(yè)天文學已經(jīng)傾向于使用主焦點、卡塞焦點和庫德焦點的設(shè)計。在2001年，至少已經(jīng)有49架口徑2米或更大的反射望遠鏡采用主焦點的設(shè)計。
基本分類
牛頓式望遠鏡
優(yōu)點
由于反射鏡的造價要比透鏡低的多，因此對于大口徑的望遠鏡來說，經(jīng)常做成反射式的，而不是笨重的折射式。
便攜式設(shè)計的反射望遠鏡，雖然鏡筒只有500mm，但焦距卻可以達到1000mm。牛頓式反射鏡的焦比可以達到f/4到f/8，非常適合觀測那些暗弱的河外星系、星云。有些時候用這種望遠鏡觀測月亮和行星也是很適合的。如果要進行拍照，使用牛頓式望遠鏡是非常好的。但是使用起來要比折反式望遠鏡要麻煩一點。牛頓式結(jié)構(gòu)可以很好的匯聚光線，在焦點處得到一個非常明亮的像。牛頓式反射式望遠鏡結(jié)構(gòu)相對簡單，造價低性能優(yōu)越制作容易的特點，成為業(yè)余愛好者自制的首選。
缺點
開放的鏡筒式的空氣可以流通，這樣不僅會影響到成像的穩(wěn)定度，而且一些塵埃會隨著流動的空氣進入鏡筒并附著在物鏡上，長此以往會破壞物鏡表面的鍍膜，使其反射力下降。
由于這種結(jié)構(gòu)的物鏡比較容易破裂，所以使用的時候需要倍加小心。對于偏軸的光線，牛頓式望遠鏡會產(chǎn)生彗差。這種結(jié)構(gòu)的望遠鏡不適合于對地面景觀的觀測。通常牛頓式望遠鏡的口徑和體積都比較大，因此價格也比較昂貴。由于加了一個二級平面反射鏡，所以會損失一些光線。
卡塞格林望遠鏡
卡塞格林望遠鏡是由兩塊反射鏡組成的一種反射望遠鏡，1672年為卡塞格林所發(fā)明。反射鏡中大的稱為主鏡，小的稱為副鏡。通常在主鏡中央開孔，成像于主鏡后面，它的焦點稱為卡塞格林焦點。
發(fā)展史
牛頓
折射望遠鏡產(chǎn)生的像差，主要是因為光線通過透鏡以后再聚焦而產(chǎn)生的，那么能不能不通過透鏡折射后聚焦而通過鏡面的反射而聚焦成像呢？為此英國的物理學家、天文學家牛頓首先提出用一定形狀的反射鏡，也可以把平行光線會聚在一起而聚焦成像。
當來自天體的平行光束，投射到物鏡上，經(jīng)過反射后會聚到焦點處，然后可以看到天體的像。此焦點又稱主焦點，在主焦點前安放一個小平面鏡，使它與主軸光線之間夾角為45°。把光線轉(zhuǎn)向90°，然后在鏡筒一側(cè)聚焦成像，此焦點稱為牛頓焦點。在牛頓焦點后安放目鏡便可以進行觀測了，這是牛頓制作的第一架反射望遠鏡。這種望遠鏡外形上短粗矮胖，產(chǎn)生的物像可以被放大40倍。
牛頓制造第一架反射望遠鏡雖然不想公開宣傳，但引起了人們的關(guān)注。后來牛頓又制作了第二架反射望遠鏡，物鏡口徑為5厘米。他于1672年1月11日送給皇家學會，目前這架反射望遠鏡，仍在英國得以很好地保存。
詹姆斯·格雷果里
反射望遠鏡的發(fā)明，為望遠鏡家族增加了新的活力，人們以極大的熱情研究不同類型的的反射望遠鏡。最早提出制作新型反射望遠鏡的人是英國天文學家詹姆斯·格雷果里。
1663年，他提出一個方案：利用兩面鏡子，一面主鏡，一面副鏡；口徑較大的凹拋物面鏡作為主鏡，鏡中心鉆個圓孔，把此鏡放在望遠鏡的一端，讓光線從另一端進入鏡筒射在主鏡上，經(jīng)過主鏡的反射光線會聚至焦點處，再選口徑較小的凹橢球面鏡作副鏡，將它放置在鏡筒內(nèi)的主鏡焦點后，經(jīng)副鏡重新反射發(fā)散，使光線進入主鏡的中心，然后再重新聚焦(P2)成像。
卡塞格林
1672年法國人N·卡塞格林提出新的反望鏡遠鏡設(shè)計方案。他對格里式望遠鏡進行改進，主鏡仍是中心有孔的凹拋物面鏡，只是把副鏡磨制成凸雙曲面鏡。
當來自天體平行主軸的光線，投射到主鏡上，再經(jīng)過主鏡反射，在鏡前聚焦，在光束尚未完全匯聚時，又受到在主焦點前的副鏡再一次反射，使光線發(fā)散，然后穿過主鏡中心孔后再聚焦，此焦點又稱卡塞格林焦點。
同樣在此焦點處用目鏡觀看，則可看到再放大的像。這種反射望遠鏡稱為卡塞格林望遠鏡，簡稱卡式望遠鏡。卡式望遠鏡焦距長而鏡筒短，得到倍率大、星像大的好效果。
拍攝天體也可得到大而清晰的像。若將卡式的副鏡換成平面鏡，安放在與光軸成 45°角的位置，這樣可改成牛頓式望遠鏡，在側(cè)面成像。因為這種望遠鏡有兩種光路成像系統(tǒng)，所以又稱為耐司姆斯望遠鏡。
威廉·赫歇爾
在反射望遠鏡加工制造者中，最為突出的是英國天文學家威廉·赫歇爾(1738—1822年)。赫歇爾生于德國的漢諾威，1757年遷居英國。起初在英國生活時，由于能吹一手好號，先是擔任音樂教師，但他的興趣很廣泛，特別渴望觀測浩翰的宇宙、觀測美麗的行星和神奇的恒星。
他曾租了一架長60厘米的格雷果里式望遠鏡，對星空進行觀測，但效果不好。若要購置較好的望遠鏡，因為經(jīng)濟條件窘困又難以實現(xiàn)。于是赫歇爾下決心自己磨制望遠鏡了。1772年，他把妹妹卡羅琳從漢諾威接到英國，照料他的生活，自己則專心投入磨鏡子的工作。他磨制第一塊鏡子時非常刻苦頑強，一天連續(xù)磨制好幾個小時，有一次竟達16小時，連吃飯都顧不上，只好讓妹妹給他喂飯吃。
憑著這種堅韌不拔的精神，終于磨制出了第一塊直徑為15厘米的反射鏡，并制作了一架長2．1米，可放大40倍的牛頓式反射望遠鏡。他用這架望遠鏡觀看了獵戶座大星云，并且清楚地觀測到了土星光環(huán)。特別是在1781年3月13日，赫歇爾在觀測天體時，偶然在望遠鏡中看到的天體不是個光點而呈現(xiàn)出一個圓面。開始他認為發(fā)現(xiàn)了新彗星，但進一步觀測，發(fā)現(xiàn)這個天體像行星那樣環(huán)繞太陽運動，以后證實這是一顆遠離太陽28億千米的新行星，被命名為天王星。
天王星的發(fā)現(xiàn)轟動了英國，赫歇爾立即被選為英國皇家學會會員，被授予顯赫的榮譽，獲得了科普利獎。赫歇爾一生中磨制了數(shù)百架天文望遠鏡，其中在1786年磨制了最大的一架望遠鏡，口徑為122厘米，鏡筒長為12．2米。
羅斯伯爵
19世紀中葉，制作反射望遠鏡口徑最大的是英國天文學家羅斯伯爵，他出身貴族喜好天文，在1842年他開始籌措制造口徑184厘米的大反射望遠鏡，歷經(jīng)三年的磨制，從四次失敗目前在天文觀測中，反射望遠鏡已成為現(xiàn)代天文觀測的常用工具。世界上已建造口徑在2米以上的反射望遠鏡有15臺之多，超過5米口徑以上的反射望遠鏡，已有三臺。
最著名的是安裝在美國帕洛馬山的天文臺內(nèi)的508厘米反射望遠鏡。制造這架望遠鏡，曾經(jīng)歷了許多風風雨雨。
海爾
1928年美國天文學家海爾已近晚年，當時洛杉磯城市已很繁榮，城市燈光很亮，離此城不遠的威爾遜山天文臺受到干擾，為避免城市燈光干擾，并且提高觀測能力，海爾決定在距離威爾遜東南145千米的帕洛馬山上，建造了一個508厘米的大反射望遠鏡。
他首先經(jīng)過嚴格挑選光學玻璃，磨制前在玻璃背面鉆100多個孔洞，使鏡后成為蜂窩狀，中心鉆孔為1．1米。經(jīng)過漫長的時間磨制，總共磨掉4500千克的玻璃，研磨過程中，消耗掉了28噸金剛砂，最后凈重為 1．45噸，直到1948年才建成。可惜的是1938年海爾與世長辭了，沒能看到這架大望遠鏡的建成，為紀念他的卓越貢獻，將此架望遠鏡命名為“海爾望遠鏡”。
這是全世界望遠鏡的佼佼者。這架望遠鏡的建成，為天文學的發(fā)展起到了推波助瀾的作用。它能探測到宇宙中遠達12億光年的暗弱天體，探測人們所不知道的恒星和星系的秘密，極大地開闊了人類的眼界，擴大了人類認識宇宙的范圍，取得的一系列新成果，使天文學向前邁進了一大步。
現(xiàn)在
隨著科學技術(shù)水平的不斷提高，人們在制作大口徑反射望遠鏡方面也不斷有所提高。前蘇聯(lián)科學院研制的口徑6米的反射望遠鏡，1976年安裝在俄羅斯高加索山上澤連丘克斯卡亞。進入90年代美國又在夏威夷英納克亞建成了10米口徑大型反射望遠鏡。
我國口徑最大的2．16米反射望遠鏡是1988年在北京天文臺河北興隆觀測站落成的。這個觀測站地處長城北側(cè)、海拔960米的燕山主峰南麓，這也是一個天體物理光學觀測的基地。
優(yōu)缺點
反射式望遠鏡有許多優(yōu)點，比如：沒有色差，能在廣泛的可見光范圍內(nèi)記錄天體發(fā)出的信息，且相對于折射望遠鏡比較容易制作。但由于它也存在固有的不足：如口徑越大，視場越小，物鏡需要定期鍍膜等。
對于反射鏡的材料，只要求它的膨脹系數(shù)較小、應力較小和便于磨制。磨制好的反射鏡表面通常鍍有一層鋁膜，它對紅外區(qū)和紫外區(qū)都有較好的反射律，適于在較寬的波段范圍研究天體的光譜和光度。
另外，反射望遠鏡的鏡筒一般較短。大型的反射望遠鏡主要用于天體物理的研究工作，特別是暗弱天體的分光、測光和直接照相等。
反射式望遠鏡的性能很大程度上取決于所使用的物鏡。通常使用的球面物鏡具有容易加工的特點，但是如果所設(shè)計的望遠鏡焦比比較小，則會出現(xiàn)比較嚴重的光學球差；這時，由于平行光線不能精確的聚焦于一點，所以物象將會變得模糊。
因而大口徑，強光力的反射式望遠鏡的物鏡通常采用非球面設(shè)計，最常見的非球面物鏡是拋物面物鏡。由于拋物面的幾何特性，平行于物鏡光軸的光線將被精確的匯聚在焦點上，因而能大大改善像質(zhì)。但即使是拋物面物鏡的望遠鏡仍然會存在軸外像差。
應用
反射望遠鏡在天文觀測中的應用已十分廣泛，由于鏡面材料在光學性能上沒有特殊的要求，且沒有色差問題，因此，它與折射系統(tǒng)相比，可以使用大口徑材料，也可以使用多鏡面拼鑲技術(shù)等；磨好的反射鏡一般在表面鍍一層鋁膜，鋁膜在2000-9000埃波段范圍的反射率都大于80%，因而除光學波段外，反射望遠鏡還適于對近紅外和近紫外波段進行研究；因此較適合于進行恒星物理方面的工作（恒星的測光與分光），目前設(shè)計和建造的大口徑望遠鏡都是采用的反射系統(tǒng)，遺憾的是反射望遠鏡的反射鏡面需要定期鍍膜，故它在科普望遠鏡中的應用受到了限制。
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