反射望遠(yuǎn)鏡
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反射望遠(yuǎn)鏡簡(jiǎn)介
反射望遠(yuǎn)鏡是使用曲面和平面的面鏡組合來反射光線，并形成影像的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，而不是使用透鏡折射或彎曲光線形成圖像的屈光鏡。反射式望遠(yuǎn)鏡所用物鏡為凹面鏡，有球面和非球面之分；比較常見的反射式望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)系統(tǒng)有牛頓式反射望遠(yuǎn)鏡與卡塞格林式反射望遠(yuǎn)鏡。反射式望遠(yuǎn)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(diǎn)，但是如果所設(shè)計(jì)的望遠(yuǎn)鏡焦比比較小，則會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的光學(xué)球面像差；這時(shí)，由于平行光線不能精確的聚焦于一點(diǎn)，所以物像將會(huì)變得模糊。因而大口徑，強(qiáng)光力的反射式望遠(yuǎn)鏡的物鏡通常采用非球面設(shè)計(jì)，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(diǎn)上，因而能大大改善像質(zhì)。但即使是拋物面物鏡的望遠(yuǎn)鏡仍然會(huì)存在軸外像差。
在佛蘭克林學(xué)院使用的24英吋可轉(zhuǎn)換牛頓/卡塞格林反射望遠(yuǎn)鏡?！ ?/p>
反射望遠(yuǎn)鏡基本認(rèn)識(shí)
用反射鏡作物鏡的望遠(yuǎn)鏡。反射望遠(yuǎn)鏡光學(xué)性能的重要特點(diǎn)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(fù)雜，實(shí)用的反射望遠(yuǎn)鏡為了避免像差，視場(chǎng)一般比較小，可以通過像場(chǎng)改正透鏡擴(kuò)大視場(chǎng)。反射鏡的材料要求膨脹系數(shù)小，應(yīng)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(yuǎn)鏡的鏡筒一般比較短，便于支撐。現(xiàn)代高科技反射望遠(yuǎn)鏡還具有鏡面自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)和主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)，可以補(bǔ)償大氣擾動(dòng)干擾和鏡 面應(yīng)力及風(fēng)力引起的變形抖動(dòng)。
中國(guó)目前最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是2.16米。目前世界上最大的望遠(yuǎn)鏡是位于夏威夷的凱克望遠(yuǎn)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(guó)的一個(gè)企業(yè)家凱克捐助修建的，第一面凱克望遠(yuǎn)鏡建造成功后，凱克基金會(huì)又投資修建了凱克二號(hào)望遠(yuǎn)鏡，兩座挨在一起，威力無比；另外的大型望遠(yuǎn)鏡有美國(guó)國(guó)立天文臺(tái)位于南北兩半球的兩個(gè)八米望遠(yuǎn)鏡，一座位于夏威夷，一座位于智利，合稱雙子座望遠(yuǎn)鏡；日本人在夏威夷建造了一座八米的稱為昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡；下世紀(jì)歐洲南方天文臺(tái)將建成四座八米望遠(yuǎn)鏡，組合口徑相當(dāng)于15米?！ ?/p>
反射望遠(yuǎn)鏡的基本分類
反射望遠(yuǎn)鏡由于工作焦點(diǎn)的不同分為主焦點(diǎn)系統(tǒng)、牛頓系統(tǒng)、卡塞格林系統(tǒng)、格里高里系統(tǒng)、 折軸系統(tǒng)等，通過鏡面的變換，在同一個(gè)望遠(yuǎn)鏡上可以分別獲得主焦點(diǎn)系統(tǒng)（ 或牛頓系統(tǒng)）、卡塞格林系統(tǒng)和折軸系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的焦點(diǎn)，分別稱為主焦點(diǎn)、牛頓焦點(diǎn)、卡塞格林焦點(diǎn)、格里高里焦點(diǎn)和折軸焦點(diǎn)等。單獨(dú)用上述一個(gè)系統(tǒng)作望遠(yuǎn)鏡時(shí)，分別稱為牛頓望遠(yuǎn)鏡、卡塞格林望遠(yuǎn)鏡、格里高里望遠(yuǎn)鏡、折軸望遠(yuǎn)鏡。 大型光學(xué)反射望遠(yuǎn)鏡主要用于天體物理研究，特別是暗弱天體的分光、測(cè)光以及照相工作?！ ?/p>
牛頓式反射望遠(yuǎn)鏡
這種望遠(yuǎn)鏡通常利用一個(gè)凹的拋物面反射鏡將進(jìn)入鏡頭的光線匯聚后反射到位于鏡筒前端的一個(gè)面鏡上，然后再由這個(gè)平面鏡將光線反射到鏡筒外的目鏡里，這樣我們便可以觀測(cè)到星空的影像。
▲優(yōu)點(diǎn)
由于反射鏡的造價(jià)要比透鏡低的多，因此對(duì)于大口徑的望遠(yuǎn)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(jì)的反射望遠(yuǎn)鏡，雖然鏡筒只有500mm，但焦距卻可以達(dá)到1000mm。牛頓式反射鏡的焦比可以達(dá)到f/4到f/8，非常適合觀測(cè)那些暗弱的河外星系、星云。有些時(shí)候用這種望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)月亮和行星也是很適合的。如果要進(jìn)行拍照，使用牛頓式望遠(yuǎn)鏡時(shí)非常好的。但是使用起來要比折反式望遠(yuǎn)鏡要麻煩一點(diǎn)。牛頓式結(jié)構(gòu)可以很好的會(huì)聚光線，在焦點(diǎn)處得到一個(gè)非常明亮的像。
▲缺點(diǎn)
開放的鏡筒式的空氣可以流通，這樣不僅會(huì)影響到成像的穩(wěn)定度，而且一些塵埃會(huì)隨著流動(dòng)的空氣進(jìn)入鏡筒并附著在物鏡上，長(zhǎng)此以往會(huì)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(shí)候需要倍加小心。對(duì)于偏軸的光線，牛頓式望遠(yuǎn)鏡會(huì)產(chǎn)生彗差。這種結(jié)構(gòu)的望遠(yuǎn)鏡不適合于對(duì)地面景觀的觀測(cè)。通常牛頓式望遠(yuǎn)鏡的口徑和體積都比較大，因此價(jià)格也比較昂貴。由于加了一個(gè)級(jí)平面反射鏡，所以會(huì)損失一些光線?！ ?/p>
卡塞格林望遠(yuǎn)鏡
卡塞格林望遠(yuǎn)鏡是由兩塊反射鏡組成的一種反射望遠(yuǎn)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(diǎn)稱為卡塞格林焦點(diǎn)。有時(shí)也按圖中虛線那樣多加入一塊斜平面鏡，成像于側(cè)面，這種卡塞格林望遠(yuǎn)鏡，又稱為耐司姆斯望遠(yuǎn)鏡。
折軸望遠(yuǎn)鏡
折軸望遠(yuǎn)鏡是光線通過光學(xué)元件沿軸射出的望遠(yuǎn)鏡。這種望遠(yuǎn)鏡的焦點(diǎn)稱為折軸焦點(diǎn)。各種裝置型式（赤道式﹑地平式等）的折射望遠(yuǎn)鏡﹑反射望遠(yuǎn)鏡﹑折反射望遠(yuǎn)鏡都可以配置成折軸望遠(yuǎn)鏡?！ ?/p>
反射望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展史
牛頓
折射望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)生的像差，主要是因?yàn)楣饩€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(guó)的物理學(xué)家、天文學(xué)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(huì)聚在一起而聚焦成像。
1668年牛頓親自動(dòng)手磨制了一塊凹球面鏡。鏡子材料選用合金(銅、錫、砷)，顏色為白色，鏡面直徑為2．5厘米，鏡筒為15厘米長(zhǎng)的金屬筒，在鏡筒末端安裝了物鏡。當(dāng)來自天體的平行光束，投射到物鏡上，經(jīng)過反射后會(huì)聚到焦點(diǎn)處，然后可以看到天體的像。此焦點(diǎn)又稱主焦點(diǎn)，在主焦點(diǎn)前安放一個(gè)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(diǎn)稱為牛頓焦點(diǎn)。在牛頓焦點(diǎn)后安放目鏡便可以進(jìn)行觀測(cè)了，這是牛頓制作的第一架反射望遠(yuǎn)鏡。這種望遠(yuǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)鏡，物鏡口徑為5厘米。他于1672年1月11日送給皇家學(xué)會(huì)，目前這架反射望遠(yuǎn)鏡，仍在英國(guó)得以很好地保存?！ ?/p>
詹姆斯.格雷果里
反射望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明，為望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡。最早提出制作新型反射望遠(yuǎn)鏡的人是英國(guó)天文學(xué)家詹姆斯.格雷果里。1663年，他提出一個(gè)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(gè)圓孔，把此鏡放在望遠(yuǎn)鏡的一端，讓光線從另一端進(jìn)入鏡筒射在主鏡上，經(jīng)過主鏡的反射光線會(huì)聚至焦點(diǎn)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(diǎn)后，經(jīng)副鏡重新反射發(fā)散，使光線進(jìn)入主鏡的中心，然后再重新聚焦(P2)成像。在主鏡后焦點(diǎn)處再通過目鏡產(chǎn)生一個(gè)放大像。用這種望遠(yuǎn)鏡觀看時(shí)，如同折射望遠(yuǎn)鏡一樣，觀測(cè)者直接對(duì)著物體的方向觀測(cè)。但是這種反射鏡的鏡面要求較高，磨制起來比較困難，并且鏡筒長(zhǎng)場(chǎng)曲較大。所以格雷果里始終沒能造出一架可以用來工作的反射望遠(yuǎn)鏡。但是，他的理論絲毫沒有錯(cuò)，后來有人據(jù)此制作的“格里式望遠(yuǎn)鏡”一直工作得很好。
卡塞格林
1672年法國(guó)人N.卡塞格林提出新的反望鏡遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)方案。他對(duì)格里式望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行改進(jìn)，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(dāng)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(shí)，又受到在主焦點(diǎn)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(diǎn)又稱卡塞格林焦點(diǎn)。同樣在此焦點(diǎn)處用目鏡觀看，則可看到再放大的像。這種反射望遠(yuǎn)鏡稱為卡塞格林望遠(yuǎn)鏡，簡(jiǎn)稱卡式望遠(yuǎn)鏡。卡式望遠(yuǎn)鏡焦距長(zhǎng)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(yuǎn)鏡，在側(cè)面成像。因?yàn)檫@種望遠(yuǎn)鏡有兩種光路成像系統(tǒng)，所以又稱為耐司姆斯望遠(yuǎn)鏡?！ ?/p>
威廉.赫歇爾
在反射望遠(yuǎn)鏡加工制造者中，最為突出的是英國(guó)天文學(xué)家威廉.赫歇爾(1738—1822年)。赫歇爾生于德國(guó)的漢諾威，1757年遷居英國(guó)。起初在英國(guó)生活時(shí)，由于能吹一手好號(hào)，先是擔(dān)任音樂教師，但他的興趣很廣泛，特別渴望觀測(cè)浩翰的宇宙、觀測(cè)美麗的行星和神奇的恒星。他曾租了一架長(zhǎng)60厘米的格雷果里式望遠(yuǎn)鏡，對(duì)星空進(jìn)行觀測(cè)，但效果不好。若要購置較好的望遠(yuǎn)鏡，因?yàn)榻?jīng)濟(jì)條件窘困又難以實(shí)現(xiàn)。于是赫歇爾下決心自己磨制望遠(yuǎn)鏡了。1772年，他把妹妹卡羅琳從漢諾威接到英國(guó)，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(shí)非常刻苦頑強(qiáng)，一天連續(xù)磨制好幾個(gè)小時(shí)，有一次竟達(dá)16小時(shí)，連吃飯都顧不上，只好讓妹妹給他喂飯吃。憑著這種堅(jiān)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(zhǎng)2．1米，可放大40倍的牛頓式反射望遠(yuǎn)鏡。他用這架望遠(yuǎn)鏡觀看了獵戶座大星云，并且清楚地觀測(cè)到了土星光環(huán)。特別是在1781年3月13日，赫歇爾在觀測(cè)天體時(shí)，偶然在望遠(yuǎn)鏡中看到的天體不是個(gè)光點(diǎn)而呈現(xiàn)出一個(gè)圓面。開始他認(rèn)為發(fā)現(xiàn)了新彗星，但進(jìn)一步觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)這個(gè)天體像行星那樣環(huán)繞太陽運(yùn)動(dòng)，以后證實(shí)這是一顆遠(yuǎn)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(dòng)了英國(guó)，赫歇爾立即被選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員，被授于顯赫的榮譽(yù)，獲得了科普利獎(jiǎng)。赫歇爾一生中磨制了數(shù)百架天文望遠(yuǎn)鏡，其中在1786年磨制了最大的一架望遠(yuǎn)鏡，口徑為122厘米，鏡筒長(zhǎng)為12．2米。這個(gè)龐然大物在巨大的構(gòu)架中豎立起來，看上去活像一尊指向天空的大炮，人們進(jìn)行觀測(cè)時(shí)需要爬到鏡筒內(nèi)尋找焦點(diǎn)。它所設(shè)計(jì)的光路稱為赫式望遠(yuǎn)鏡，望遠(yuǎn)鏡將主鏡斜放鏡筒一端，將會(huì)聚光束的焦點(diǎn)靠近前方，去掉副鏡直接用目鏡進(jìn)焦點(diǎn)處進(jìn)行觀測(cè)。當(dāng)他使用這個(gè)龐然大物在觀測(cè)的第一夜，就發(fā)現(xiàn)了土星的兩顆新衛(wèi)星。以后觀測(cè)銀河系也取得很大成功。赫歇爾不愧為在天文學(xué)發(fā)展史上立下豐功偉績(jī)的全能天文學(xué)家。
羅斯伯爵
19世紀(jì)中葉，制作反射望遠(yuǎn)鏡口徑最大的是英國(guó)天文學(xué)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(yuǎn)鏡，歷經(jīng)三年的磨制，從四次失敗目前在天文觀測(cè)中，反射望遠(yuǎn)鏡已成為現(xiàn)代天文觀測(cè)的常用工具。世界上已建造口徑在2米以上的反射望遠(yuǎn)鏡有15臺(tái)之多，超過5米口徑以上的反射望遠(yuǎn)鏡，已有三臺(tái)。最著名的是安裝在美國(guó)帕洛馬山的天文臺(tái)內(nèi)的508厘米反射望遠(yuǎn)鏡。制造這架望遠(yuǎn)鏡，曾經(jīng)歷了許多風(fēng)風(fēng)雨雨?！ ?/p>
海爾
1928年國(guó)天文學(xué)家海爾已近晚年，當(dāng)時(shí)洛杉磯城市已很繁榮，城市燈光很亮，離此城不遠(yuǎn)的威爾遜山天文臺(tái)受到干擾，為避免城市燈光干擾，并且提高觀測(cè)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(gè)508厘米的大反射望遠(yuǎn)鏡。他首先經(jīng)過嚴(yán)格挑選光學(xué)玻璃，磨制前在玻璃背面鉆100多個(gè)孔洞，使鏡后成為蜂窩狀，中心鉆孔為1．1米。經(jīng)過漫長(zhǎng)的時(shí)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，最后鏡重為 1．45噸，直到1948年才建成。可惜的是1938年?duì)柵c世長(zhǎng)辭了，沒能看到這架大望遠(yuǎn)鏡的建成，為紀(jì)念他的卓越貢獻(xiàn)，將此架望遠(yuǎn)鏡命名為“海爾望遠(yuǎn)鏡”。這是全世界望遠(yuǎn)鏡的佼佼者。這架望遠(yuǎn)鏡的建成，為天文學(xué)的發(fā)展起到了推波助瀾的作用。它能探測(cè)到宇宙中遠(yuǎn)達(dá)12億光年的暗弱天體，探測(cè)人們所不知道的恒星和星系的秘密，極大地開擴(kuò)了人類的眼界，擴(kuò)大了人類認(rèn)識(shí)宇宙的范圍，取得的一系列新成果，使天文學(xué)向前邁進(jìn)了一大步?！ ?/p>
現(xiàn)在
隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，人們?cè)谥谱鞔罂趶椒瓷渫h(yuǎn)鏡方面也不斷有所提高。前蘇聯(lián)科學(xué)院磨制的口徑6米的反射望遠(yuǎn)鏡，1976年安裝在俄羅斯高加索山上澤連丘克斯卡亞。進(jìn)入90年代美國(guó)又在夏威夷英納克亞建成了10米口徑大型反射望遠(yuǎn)鏡。我國(guó)口徑最大的2．16米反射望遠(yuǎn)鏡是1988年在北京天文臺(tái)河北興隆觀測(cè)站落成的。這個(gè)觀測(cè)站地處長(zhǎng)城北側(cè)、海拔960米的燕山主峰南麓，這也是一個(gè)天體物理光學(xué)觀測(cè)的基地?！ ?/p>
反射望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)缺點(diǎn)
反射式望遠(yuǎn)鏡有許多優(yōu)點(diǎn)，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(duì)于折射望遠(yuǎn)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(chǎng)越小，物鏡需要定期鍍膜等。
對(duì)于反射鏡的材料，只要求它的膨脹系數(shù)較小、應(yīng)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(duì)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(yuǎn)鏡的鏡筒一般較短。大型的反射望遠(yuǎn)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(cè)光和直接照相等。
反射式望遠(yuǎn)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(diǎn)，但是如果所設(shè)計(jì)的望遠(yuǎn)鏡焦比比較小，則會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的光學(xué)球差；這時(shí)，由于平行光線不能精確的聚焦于一點(diǎn)，所以物象將會(huì)變得模糊。因而大口徑，強(qiáng)光力的反射式望遠(yuǎn)鏡的物鏡通常采用非球面設(shè)計(jì)，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(diǎn)上，因而能大大改善像質(zhì)。但即使是拋物面物鏡的望遠(yuǎn)鏡仍然會(huì)存在軸外像差?！ ?/p>
反射望遠(yuǎn)鏡的應(yīng)用
反射望遠(yuǎn)鏡在天文觀測(cè)中的應(yīng)用已十分廣泛，由于鏡面材料在光學(xué)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(xué)波段外，反射望遠(yuǎn)鏡還適于對(duì)近紅外和近紫外波段進(jìn)行研究；因此較適合于進(jìn)行恒星物理方面的工作（恒星的測(cè)光與分光），目前設(shè)計(jì)和建造的大口徑望遠(yuǎn)鏡都是采用的反射系統(tǒng)，遺憾的是反射望遠(yuǎn)鏡的反射鏡面需要定期鍍膜，故它在科普望遠(yuǎn)鏡中的應(yīng)用受到了限制。
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