反射式望遠鏡

反射望遠鏡中常用的有牛頓系統(tǒng)、卡塞格林系統(tǒng)、格雷戈里系統(tǒng)等?，F(xiàn)代的大型反射望遠鏡，大都通過鏡面的變換，在同一個望遠鏡上得到不同的系統(tǒng)，以用于不同的觀測項目。下面分別介紹常用的幾種系統(tǒng)。

牛頓系統(tǒng):

牛頓系統(tǒng)是反射系統(tǒng)中最簡單的光學系統(tǒng)(見圖)。為了消去球差，主鏡一般制成拋物面。但當相對孔徑減小到1/12以下，主鏡可制作為球面。它的結(jié)構(gòu)簡單，磨制比較容易，成本低廉。國內(nèi)外愛好者自制的天文望遠鏡大多采用此系統(tǒng)。但由于軸外像差較大，視場不宜做得過大，且眼望方向與鏡筒指向方向不一致，使觀測者尋星較為困難。但是，相對孔徑較大的拋物面牛頓系統(tǒng)，往往被采用作為口徑較大的物鏡系統(tǒng)，其像質(zhì)優(yōu)良，光力強對拍攝視場不大的視面天體十分合用。但由于需要頻繁校正光軸及保養(yǎng)鏡面，在科普活動中引用較少，多用于深空天體攝影。

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，使用牛頓式望遠鏡時非常好的。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)可以很好的會聚光線，在焦點處得到一個非常明亮的像。

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。

詹姆斯·格雷戈里在1663年提出一種方案:利用一面主鏡，一面副鏡，它們均為凹面鏡，副鏡置 于主鏡的焦點之外，并在主鏡的中央留有小孔，使光線經(jīng)主鏡和副鏡兩次反射后從小孔中射出，到達目鏡。這種設(shè)計的目的是要同時消除球差和色差，這就需要一個拋物面的主鏡和一個橢球面的副鏡，這在理論上是正確的，但當時的制造水平卻無法達到這種要求，所以格雷戈里無法得到對他有用的鏡子。

1672年，法國人卡塞格林提出了反射式望遠鏡的第三種設(shè)計方案，結(jié)構(gòu)與格雷戈里望遠鏡相似，不同的是副鏡提前到主鏡焦點之前，并為凸面鏡，這就是現(xiàn)在最常用的卡賽格林式反射望遠鏡。這樣使經(jīng)副鏡鏡反射的光稍有些發(fā)散，降低了放大率，但是它消除了球差，這樣制作望遠鏡還可以使焦距很短。 卡塞格林式望遠鏡的主鏡和副鏡有經(jīng)典卡塞格林系統(tǒng)和R-C系統(tǒng);前者的主鏡為拋物面，副鏡為雙曲面，而后者的主鏡為雙曲面，副鏡也是雙曲面。此二類系統(tǒng)在大型望遠鏡制作中經(jīng)常使用。由于卡塞格林式望遠鏡焦距長而鏡身短，放大倍率也大，所得圖象清晰;因此得到了非常廣泛的應(yīng)用;但由于其主副鏡均為非球面，加工難度甚大，制作成本高昂;再加上視場角較小，所以科普天文望遠鏡中不常用。

在反射望遠鏡中，有時會設(shè)計成多個焦點，用以產(chǎn)生不同的相對孔徑、視場角及焦距。如內(nèi)史密斯天文望遠鏡。它是卡塞格林天文望遠鏡的一種變種;系統(tǒng)在望遠鏡筒內(nèi)，主鏡和目鏡之間設(shè)有一面反射鏡(如牛頓系統(tǒng))。它既有卡塞格林焦點，可用來研究小視場內(nèi)的天體，又可應(yīng)用牛頓焦點，用以拍攝大面積的天體。 南京天文儀器研制中心的KP400K采用卡塞格林系統(tǒng)。

反射式天文望遠鏡有許多優(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。

凱克望遠鏡Keck I 和Keck II分別在1991年和1996年建成，這是當前世界上已投入工作的最大口徑的光學望遠鏡，因其經(jīng)費主要由企業(yè)家凱克(Keck W M)捐贈(Keck I 為9400萬美元，Keck II為7460萬美元)而命名。這兩臺完全相同的望遠鏡都放置在夏威夷的莫納克亞，將它們放在一起是為了做干涉觀測，所獲得的分辨率相當于直徑85m的鏡面。它們的口徑都是10m，由36塊六角鏡面拼接組成，每塊鏡面口徑均為1.8m，而厚度僅為10cm，通過主動光學支撐系統(tǒng)，使鏡面保持極高的精度。焦面設(shè)備有三個:近紅外照相機、高分辨率CCD探測器和高色散光譜儀。

"像Keck這樣的大望遠鏡，可以讓我們沿著時間的長河，探尋宇宙的起源，Keck更是可以讓我們看到宇宙最初誕生的時刻"。

邁向世界上最大的天文望遠鏡行列的還有位于加那里群島(大西洋東北部)的的大型加那里天文望遠鏡，鏡面直徑10.4m以及位于南非的南非大型天文望遠鏡，鏡面直徑11m。

大型經(jīng)緯天文望遠鏡(БТА)現(xiàn)是歐洲最大的天文望遠鏡，坐落在俄羅斯北高加索山區(qū)，海拔2700m。它是一種反射型天文望遠鏡;主鏡(接受天體光的光學鏡面)直徑6.05m，具有旋轉(zhuǎn)拋物面外形。其光學系統(tǒng)可利用主鏡焦點和兩個內(nèi)史密斯焦點來對天體進行觀察。通過彼此之間的差異來進行誤差校正。望遠鏡的可移動部分重量約650t.，總重量約850t.。它于1975年建成，1976年投入使用。

反射望遠鏡在天文觀測中的應(yīng)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(yīng)用受到了限制。

反射望遠鏡由于工作焦點的不同又分為牛頓系統(tǒng)和R-C系統(tǒng)(如我國最大的2.16米望遠鏡)、折軸系統(tǒng)等。

第一架反射式望遠鏡誕生于1668年。牛頓經(jīng)過多次磨制非球面的透鏡均告失敗后，決定采用球面反射鏡作為主鏡。他用2.5cm直徑的金屬，磨制成一塊凹面反射鏡，并在主鏡的焦點前面放置了一個與主鏡成45度角的反射鏡，使經(jīng)主鏡反射后的會聚光經(jīng)反射鏡以90度角反射出鏡筒后到達目鏡。這種系統(tǒng)稱為牛頓式反射望遠鏡。它的球面鏡雖然會產(chǎn)生一定的象差，但用反射鏡代替折射鏡卻是一個巨大的成功。

反射望遠鏡在天文望遠鏡中應(yīng)用十分廣泛。由于這種系統(tǒng)對玻璃材料在光學性能上沒有特殊要求，光線不需透過材料本身，而重量較輕無色差又是反射鏡的一大優(yōu)點，因此大口徑的望遠鏡都采用反射式。但是反射物鏡表面精度對光程的影響是雙倍的，如果僅由一個反射表面來成像，則此表面所需的精確度(垂直入射光)比單個折射表面的精確度要高四倍。可見反射表面磨制的要求是很高的。再加上需經(jīng)常重新鍍反射面及部件組裝、校正的困難，反射系統(tǒng)在科普望遠鏡中應(yīng)用受到限制。

艾薩克·牛頓爵士是人類歷史上出現(xiàn)過的最偉大、最有影響的科學家之一，同時也是物理學家、數(shù)學家和哲學家，晚年醉心于煉金術(shù)和神學。他在1687年7月5日發(fā)表的不朽著作《自然哲學的數(shù)學原理》里用數(shù)學方法闡明了宇宙中最基本的法則--萬有引力定律和三大運動定律。這四條定律構(gòu)成了一個統(tǒng)一的體系，被認為是"人類智慧史上最偉大的一個成就"，由此奠定了之后三個世紀中物理界的科學觀點，并成為現(xiàn)代工程學的基礎(chǔ)。牛頓為人類建立起"理性主義"的旗幟，開啟工業(yè)革命的大門。牛頓逝世后被安葬于威斯敏斯特大教堂，成為在此長眠的第一個科學家。

水銀反射式望遠鏡的最大弱點是只能垂直觀測上方的一小塊天空，不能傾斜，否則水銀就會溢出，因此觀測的天空區(qū)域狹窄，就像"坐井觀天"。后來，天文學家又制造出了可以旋轉(zhuǎn)的水銀反射式望遠鏡，這樣不僅能觀測正上方非常狹小的天空，而且在天體經(jīng)過水銀反射式望遠鏡上方時望遠鏡還可以通過旋轉(zhuǎn)跟蹤天體半小時。對水銀反射式望遠鏡而言，這是一個不小的進展?，F(xiàn)在，天文學家甚至能通過改變水銀盤的旋轉(zhuǎn)速度，改變水銀反射式望遠鏡的焦距。

水銀反射式望遠鏡的另外一個缺點就是會揮發(fā)出有毒的水銀蒸氣。在鏡面開始形成時，水銀蒸氣量較大，操作人員應(yīng)戴上防護面罩。但幾小時后，在表面形成一層氧化膜，水銀的蒸發(fā)量就會大大減少。

水銀反射式望遠鏡還有一個缺點是怕振動和風吹。由于水銀形成的是凹面，望遠鏡微小的振動都會影響其凹面的精度，因此，水銀反射式望遠鏡需要安裝在混凝土底座上，并和周圍的建筑物隔離。

--與任何一種折射式或反射式望遠鏡一樣，有2吋、1.25吋及0.965吋等各種規(guī)格可以選擇，只要目鏡與目鏡座規(guī)格一樣就可以使用了。

制作水銀反射式望遠鏡特別簡單，水銀反射式望遠鏡的凹面用45秒的時間就可以成形。技術(shù)人員先把水銀注入一個拋物面形的盤子中，使其覆蓋盤子的大部分表面。然后旋轉(zhuǎn)盤子，使水銀在離心力的作用下散開，形成一層1~2毫米厚的拋物面薄膜。

由于水銀有較大的表面張力，制作完成的水銀表面上有時會出一些小孔。當出現(xiàn)這種情況時，可以重復(fù)操作一次。一般的操作人員經(jīng)過幾天的實際練習，都能"旋轉(zhuǎn)"出完全沒有小孔的光潔如鏡的水銀薄膜凹面鏡。

這種水銀反射式望遠鏡的價格比玻璃反射式望遠鏡便宜得多。