反射式望遠(yuǎn)鏡簡(jiǎn)介

第一架反射式望遠(yuǎn)鏡誕生于1668年。牛頓經(jīng)過(guò)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(diǎn)前面放置了一個(gè)與主鏡成45度角的反射鏡，使經(jīng)主鏡反射后的會(huì)聚光經(jīng)反射鏡以90度角反射出鏡筒后到達(dá)目鏡。這種系統(tǒng)稱為牛頓式反射望遠(yuǎn)鏡。它的球面鏡雖然會(huì)產(chǎn)生一定的象差，但用反射鏡代替折射鏡卻是一個(gè)巨大的成功。

反射望遠(yuǎn)鏡在天文望遠(yuǎn)鏡中應(yīng)用十分廣泛。由于這種系統(tǒng)對(duì)玻璃材料在光學(xué)性能上沒(méi)有特殊要求，光線不需透過(guò)材料本身，而重量較輕無(wú)色差又是反射鏡的一大優(yōu)點(diǎn)，因此大口徑的望遠(yuǎn)鏡都采用反射式。但是反射物鏡表面精度對(duì)光程的影響是雙倍的，如果僅由一個(gè)反射表面來(lái)成像，則此表面所需的精確度(垂直入射光)比單個(gè)折射表面的精確度要高四倍。可見(jiàn)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(yuǎn)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(guò)的最偉大、最有影響的科學(xué)家之一，同時(shí)也是物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家和哲學(xué)家，晚年醉心于煉金術(shù)和神學(xué)。他在1687年7月5日發(fā)表的不朽著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》里用數(shù)學(xué)方法闡明了宇宙中最基本的法則--萬(wàn)有引力定律和三大運(yùn)動(dòng)定律。這四條定律構(gòu)成了一個(gè)統(tǒng)一的體系，被認(rèn)為是"人類智慧史上最偉大的一個(gè)成就"，由此奠定了之后三個(gè)世紀(jì)中物理界的科學(xué)觀點(diǎn)，并成為現(xiàn)代工程學(xué)的基礎(chǔ)。牛頓為人類建立起"理性主義"的旗幟，開(kāi)啟工業(yè)革命的大門(mén)。牛頓逝世后被安葬于威斯敏斯特大教堂，成為在此長(zhǎng)眠的第一個(gè)科學(xué)家。

反射望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡，大都通過(guò)鏡面的變換，在同一個(gè)望遠(yuǎn)鏡上得到不同的系統(tǒng)，以用于不同的觀測(cè)項(xiàng)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(jiǎn)單的光學(xué)系統(tǒng)(見(jiàn)圖)。為了消去球差，主鏡一般制成拋物面。但當(dāng)相對(duì)孔徑減小到1/12以下，主鏡可制作為球面。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，磨制比較容易，成本低廉。國(guó)內(nèi)外愛(ài)好者自制的天文望遠(yuǎn)鏡大多采用此系統(tǒng)。但由于軸外像差較大，視場(chǎng)不宜做得過(guò)大，且眼望方向與鏡筒指向方向不一致，使觀測(cè)者尋星較為困難。但是，相對(duì)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(qiáng)對(duì)拍攝視場(chǎng)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(dòng)中引用較少，多用于深空天體攝影。

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(lái)說(shuō)，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(lái)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(kāi)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)二級(jí)平面反射鏡，所以會(huì)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(diǎn)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(dá)目鏡。這種設(shè)計(jì)的目的是要同時(shí)消除球差和色差，這就需要一個(gè)拋物面的主鏡和一個(gè)橢球面的副鏡，這在理論上是正確的，但當(dāng)時(shí)的制造水平卻無(wú)法達(dá)到這種要求，所以格雷戈里無(wú)法得到對(duì)他有用的鏡子。

1672年，法國(guó)人卡塞格林提出了反射式望遠(yuǎn)鏡的第三種設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)與格雷戈里望遠(yuǎn)鏡相似，不同的是副鏡提前到主鏡焦點(diǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)鏡還可以使焦距很短。 卡塞格林式望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡制作中經(jīng)常使用。由于卡塞格林式望遠(yuǎn)鏡焦距長(zhǎng)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(chǎng)角較小，所以科普天文望遠(yuǎn)鏡中不常用。

在反射望遠(yuǎn)鏡中，有時(shí)會(huì)設(shè)計(jì)成多個(gè)焦點(diǎn)，用以產(chǎn)生不同的相對(duì)孔徑、視場(chǎng)角及焦距。如內(nèi)史密斯天文望遠(yuǎn)鏡。它是卡塞格林天文望遠(yuǎn)鏡的一種變種;系統(tǒng)在望遠(yuǎn)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(diǎn)，可用來(lái)研究小視場(chǎng)內(nèi)的天體，又可應(yīng)用牛頓焦點(diǎn)，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(yuǎn)鏡有許多優(yōu)點(diǎn)，比如:沒(méi)有色差，能在廣泛的可見(jiàn)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。

凱克望遠(yuǎn)鏡Keck I 和Keck II分別在1991年和1996年建成，這是當(dāng)前世界上已投入工作的最大口徑的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，因其經(jīng)費(fèi)主要由企業(yè)家凱克(Keck W M)捐贈(zèng)(Keck I 為9400萬(wàn)美元，Keck II為7460萬(wàn)美元)而命名。這兩臺(tái)完全相同的望遠(yuǎn)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(cè)，所獲得的分辨率相當(dāng)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(guò)主動(dòng)光學(xué)支撐系統(tǒng)，使鏡面保持極高的精度。焦面設(shè)備有三個(gè):近紅外照相機(jī)、高分辨率CCD探測(cè)器和高色散光譜儀。

"像Keck這樣的大望遠(yuǎn)鏡，可以讓我們沿著時(shí)間的長(zhǎng)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(shí)刻"。

邁向世界上最大的天文望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡，鏡面直徑10.4m以及位于南非的南非大型天文望遠(yuǎn)鏡，鏡面直徑11m。

大型經(jīng)緯天文望遠(yuǎn)鏡(БТА)現(xiàn)是歐洲最大的天文望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡;主鏡(接受天體光的光學(xué)鏡面)直徑6.05m，具有旋轉(zhuǎn)拋物面外形。其光學(xué)系統(tǒng)可利用主鏡焦點(diǎn)和兩個(gè)內(nèi)史密斯焦點(diǎn)來(lái)對(duì)天體進(jìn)行觀察。通過(guò)彼此之間的差異來(lái)進(jìn)行誤差校正。望遠(yuǎn)鏡的可移動(dòng)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(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(méi)有特殊的要求，且沒(méi)有色差問(wèn)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。

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

水銀反射式望遠(yuǎn)鏡的最大弱點(diǎn)是只能垂直觀測(cè)上方的一小塊天空，不能傾斜，否則水銀就會(huì)溢出，因此觀測(cè)的天空區(qū)域狹窄，就像"坐井觀天"。后來(lái)，天文學(xué)家又制造出了可以旋轉(zhuǎn)的水銀反射式望遠(yuǎn)鏡，這樣不僅能觀測(cè)正上方非常狹小的天空，而且在天體經(jīng)過(guò)水銀反射式望遠(yuǎn)鏡上方時(shí)望遠(yuǎn)鏡還可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)跟蹤天體半小時(shí)。對(duì)水銀反射式望遠(yuǎn)鏡而言，這是一個(gè)不小的進(jìn)展。現(xiàn)在，天文學(xué)家甚至能通過(guò)改變水銀盤(pán)的旋轉(zhuǎn)速度，改變水銀反射式望遠(yuǎn)鏡的焦距。

水銀反射式望遠(yuǎn)鏡的另外一個(gè)缺點(diǎn)就是會(huì)揮發(fā)出有毒的水銀蒸氣。在鏡面開(kāi)始形成時(shí)，水銀蒸氣量較大，操作人員應(yīng)戴上防護(hù)面罩。但幾小時(shí)后，在表面形成一層氧化膜，水銀的蒸發(fā)量就會(huì)大大減少。

水銀反射式望遠(yuǎn)鏡還有一個(gè)缺點(diǎn)是怕振動(dòng)和風(fēng)吹。由于水銀形成的是凹面，望遠(yuǎn)鏡微小的振動(dòng)都會(huì)影響其凹面的精度，因此，水銀反射式望遠(yuǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)鏡特別簡(jiǎn)單，水銀反射式望遠(yuǎn)鏡的凹面用45秒的時(shí)間就可以成形。技術(shù)人員先把水銀注入一個(gè)拋物面形的盤(pán)子中，使其覆蓋盤(pán)子的大部分表面。然后旋轉(zhuǎn)盤(pán)子，使水銀在離心力的作用下散開(kāi)，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(shí)會(huì)出一些小孔。當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)，可以重復(fù)操作一次。一般的操作人員經(jīng)過(guò)幾天的實(shí)際練習(xí)，都能"旋轉(zhuǎn)"出完全沒(méi)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(yuǎn)鏡的價(jià)格比玻璃反射式望遠(yuǎn)鏡便宜得多。