光学望远镜的发展简介

光学望远镜的发展简介

天文学是研究天体和宇宙的科学，观测是天文学研究的主要实验方法.在17世纪以前，天文学家只能用肉眼观测星空中几千个比较亮的天体.17世纪初，伽利略发明了天文望远镜，人类的眼界随之大为开阔，望远镜成了近代天文观测的眼睛.本文就光学天文望远镜的发展作一简单介绍.

一、折射式望远镜

1.伽利略望远镜

图1

第一个望远镜是荷兰的一位眼镜商人里帕席于1608年做成的.据说，里帕席无意间将两块镜片重叠并使其相隔一定的距离观看时，发现远处教堂上的风标明显地放大了.于是，他把两块镜片装在一个铜管的两头，发明了最初的望远镜，这引起了许多人的兴趣.1609年，当伽利略得知荷兰人发明了望远镜的消息后，他激动不已，立即亲自动手制作望远镜.他用一个凸透镜作为物镜，一个凹透镜作为目镜，于1609年7月初制成了倍率为3的望远镜，这种望远镜的构造如图1所示，这种光学系统现称为伽利略望远镜.经过进一步的改进，到1610年9月，将倍率提高到了33倍.伽利略用自制的望远镜观察天空，发现了月球表面的环行山、太阳黑子、木星的卫星等一系列重大的天文现象，从此天文学进入了望远镜时代.

2.开普勒望远镜

图2

鉴于伽利略望远镜放大倍数和视场都较小的缺点，1611年，德国天文学家开普勒设计了用两片双凸透镜分别作为物镜和目镜的望远镜，使得放大倍数和视场都有了明显的提高，如图2所示，这种光学系统现称为开普勒望远镜.用这种望远镜看到的像是倒立的，这会使人很不习惯，不过对于天文观测则毫无影响.从17世纪中叶起，开普勒望远镜在天文观测中得到了普遍的应用.

当时的望远镜都采用单个透镜作为物镜，存在着严重的色差，为了获得好的观测效果，需要用曲率非常小的透镜，因此镜身越来越长，最长的竟达65米.直至英国光学仪器商杜隆用冕牌玻璃和火石玻璃制造了消色透镜，从此，长镜身望远镜被消色差折射望远镜所取代.

二、反射式望远镜

图3

由于伽利略和开普勒望远镜均存在明显的色差，所以人们又发明了消色差的反射式望远镜.牛顿在清楚地解释了“色差”问题后，于1688年制作了一种与众不同的反射式望远镜.他采用球面镜作为主镜，将金属磨制成一块凹面镜，并在主镜的焦点前面放置了一个与主镜成45°角的反射镜，使经主镜反射后的会聚光经反射镜以90°角反射出镜筒后到达目镜，如图3所示，这种光学系统称为牛顿式反射望远镜.它的球面镜虽然会产生一定的相差，但用反射镜代替折射镜却是一个巨大的成功.

图4

而法国人卡塞格林设计了另一种反射式望远镜，如图4所示，主镜为凹面镜，副镜为凸面镜，置于主镜的焦点之前，在主镜的中央留有小孔，使光线经主镜和副镜两次反射后从小孔中射出，到达目镜（如图4中Ｆ2处）.卡赛格林式反射望远镜消除了球差，且焦距很短.

以后，英国物理学家赫谢耳又把望远镜的物镜斜放在镜筒中，使平行光经三次反射后汇聚于镜筒的一侧（如图4中Ｆ３处）.由于反射式望远镜不存在玻璃折射引起的像偏差和色差，像质好、球差小、观察方便，所以当今世界上许多大型天文望远镜都采用反射式.

三、折反射式望远镜

图5

折射望远镜和反射望远镜各有优点，而兼取两者之长的折反射式望远镜最初出现于1814年.1931年，德籍俄国光学家施密特用一块别具一格的接近于平行板的非球面薄透镜作为改正镜，与球面反射镜配合，制成了可以消除球差和轴外相差的施密特式折反射望远镜，如图5所示.这种望远镜光力强、视场大、相差小，适合于拍摄大面积的天区照片，尤其是对暗弱星云的拍效果非常突出.施密特望远镜已经成了天文观测的重要工具.

四、哈勃望远镜

望远镜的口径越大，所能反射或折射的光线就越多，也就能看到更远更暗的天体.所以望远镜的口径就越做越大，如1960年德国陶登堡的史瓦西天文台安装了球面镜直径为2ｍ的施密特望远镜；1974-1976年，前苏联在克里米亚天文台建造了直径为6ｍ的反射式望远镜.但是，人们后来发现，由于云层的阻挡，大气的扰动，夜空散射光的影响，大型望远镜的实际分辨率比衍射理论计算的结果要低几十倍.于是天文学家们希望能走出大气层，便提出了建造空间望远镜的计划.1990年4月，美国航天飞机“发现者”号将人类建造的第一架空间光学望远镜——“哈勃”望远镜送入了太空轨道.“哈勃”望远镜是一个巨大

的光学系统.整架望远镜呈圆柱形，长13.3ｍ，直径4.3ｍ，总重量12.5ｔ.主镜是卡塞格林式反射望远镜，口径2.4ｍ，最后成型的设计精度不超过可见光波长的1/20.然而主镜在抛光、修正时出现了差错，光学系统存在严重的相差.经过一年多时间的论证，于1993年对它进行了一次为期12天的大修.修复后的“哈勃”望远镜不仅消除了相差，分辨率也比原先设计的要好.可以预见，“哈勃”望远镜肩负的探索宇宙奥秘的使命必定能够圆满实现，人类在21世纪对宇宙的认识将会因此而前进一大步.