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反射式望遠鏡

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這種望遠鏡通常利用一個凹的拋物面反射鏡將進入鏡頭的光線匯聚后反射到位於鏡筒前端的一個平面鏡上,然後再由這個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到星空的影像。

1簡介

應用
反射望遠鏡在天文望遠鏡中應用十分廣泛。由於這種系統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點,因此大口徑的望遠鏡都採用反射式。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。可見反射表面磨製的要求是很高的。再加上需經常重新鍍反射面及部件組裝、校正的困難,反射系統在科普望遠鏡中應用受到限制。

發明者

艾薩克·牛頓爵士是人類歷史上出現過的最偉大、最有影響的科學家,同時也是物理學家、數學家和哲學家,晚年醉心於鍊金術和神學。他在1687年7月5日發表的不朽著作《自然哲學的數學原理》里用數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。這四條定律構成了一個統一的體系,被認為是「人類智慧史上最偉大的一個成就」,由此奠定了之後三個世紀中物理界的科學觀點,並成為現代工程學的基礎。牛頓為人類建立起「理性主義」的旗幟,開啟工業革命的大門。牛頓逝世后被安葬於威斯敏斯特大教堂,成為在此長眠的第一個科學家。
主要成就:
提出萬有引力定律、牛頓運動定律
發明微積分
發明反射式望遠鏡和光的色散原理

2分類

反射望遠鏡中常用的有牛頓系統、卡塞格林系統、格雷戈里系統等。現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,以用於不同的觀測項目。下面分別介紹常用的幾種系統。
牛頓系統:
牛頓系統是反射系統中最簡單的光學系統(見圖)。為了消去球差,主鏡一般製成拋物面。但當相對孔徑減小到1/12以下,主鏡可製作為球面。它的結構簡單,磨製比較容易,成本低廉。國內外愛好者自製的天文望遠鏡大多採用此系統。但由於軸外像差較大,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,往往被採用作為口徑較大的物鏡系統,其像質優良,光力強對拍攝視場不大的視面天體十分合用。但由於需要頻繁校正光軸及保養鏡面,在科普活動中引用較少,多用於深空天體攝影。
牛頓式反射望遠鏡
優點:
由於反射鏡的造價要比透鏡低的多,因此對於大口徑的望遠鏡來說,經常做成反射式的,而不是笨重的折射式。
攜帶型設計的反射望遠鏡,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、星雲。
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。
牛頓式結構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定度,而且一些塵埃會隨著流動的空氣進入鏡筒並附著在物鏡上,長此以往會破壞物鏡表面的鍍膜,使其反射力下降。
由於這種結構的物鏡比較容易破裂,所以使用的時候需要倍加小心。
對於偏軸的光線,牛頓式望遠鏡會產生彗差。
這種結構的望遠鏡不適合於對地面景觀的觀測。
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。
由於加了一個二級平面反射鏡,所以會損失一些光線。
格雷戈里系統:
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
格雷戈里系統

  格雷戈里系統

於主鏡的焦點之外,並在主鏡的中央留有小孔,使光線經主鏡和副鏡兩次反射后從小孔中射出,到達目鏡。這種設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,但當時的製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。
卡塞格林和R-C系統:
1672年,法國人卡塞格林提出了反射式望遠鏡的第三種設計方案,結構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,並為凸面鏡,這就是現在最常用的卡賽格林式反射望遠鏡。這樣使經副鏡鏡反射的光稍有些發散,降低了放大率,但是它消除了球差,這樣製作望遠鏡還可以使焦距很短。
卡塞格林系統

  卡塞格林系統

卡塞格林式望遠鏡的主鏡和副鏡有經典卡塞格林系統和R-C系統;前者的主鏡為拋物面,副鏡為雙曲面,而後者的主鏡為雙曲面,副鏡也是雙曲面。此二類系統在大型望遠鏡製作中經常使用。由於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用;但由於其主副鏡均為非球面,加工難度甚大,製作成本高昂;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,有時會設計成多個焦點,用以產生不同的相對孔徑、視場角及焦距。如內史密斯天文望遠鏡。它是卡塞格林天文望遠鏡的一種變種;系統在望遠鏡筒內,主鏡和目鏡之間設有一面反射鏡(如牛頓系統)。它既有卡塞格林焦點,可用來研究小視場內的天體,又可應用牛頓焦點,用以拍攝大面積的天體。
內史密斯系統

  內史密斯系統

南京天文儀器研製中心的KP400K採用卡塞格林系統。
反射式天文望遠鏡有許多優點,比如:沒有色差,能在廣泛的可見光範圍內記錄天體發出的信息,且相對於折射望遠鏡比較容易製作。但由於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。

3相關記錄

世界最大天文望遠鏡:
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,因其經費主要由企業家凱克(Keck W M)捐贈(Keck I 為9400萬美元,Keck II為7460萬美元)而命名。這兩台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,所獲得的解析度相當於直徑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,使鏡面保持極高的精度。焦面設備有三個:近紅外照相機、高解析度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於加那裡群島(大西洋東北部)的的大型加那裡天文望遠鏡,鏡面直徑10.4m以及位於南非的南非大型天文望遠鏡,鏡面直徑11m。
歐洲最大的天文望遠鏡:
大型經緯天文望遠鏡(БТА)現是歐洲最大的天文望遠鏡,坐落在俄羅斯北高加索山區,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,具有旋轉拋物面外形。其光學系統可利用主鏡焦點和兩個內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.。它於1975年建成,1976年投入使用。
反射望遠鏡在天文觀測中的應用已十分廣泛,由於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,它與折射系統相比,可以使用大口徑材料,也可以使用多鏡面拼鑲技術等;磨好的反射鏡一般在表面鍍一層鋁膜,鋁膜在2000-9000埃波段範圍的反射率都大於80%,因而除光學波段外,反射望遠鏡還適於對近紅外和近紫外波段進行研究;因此較適合於進行恆星物理方面的工作(恆星的測光與分光),目前設計和建造的大口徑望遠鏡都是採用的反射系統,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。
反射望遠鏡由於工作焦點的不同又分為牛頓系統和R-C系統(如中國最大的2.16米望遠鏡)、折軸系統等。
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