英國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、天文學(xué)家艾薩克·牛頓認(rèn)為可以采用一定形狀的表面反射來實(shí)現(xiàn)光線的匯聚。

在1668年牛頓采用合金材料親自磨制了一塊凹球面鏡，并用它組裝完成了世界上第一臺(tái)反射式天文望遠(yuǎn)鏡。

這臺(tái)反射式天文望遠(yuǎn)鏡的反射鏡面直徑是25mm，鏡筒長度是150mm。

與折射式望遠(yuǎn)鏡不同的是，它的目鏡安裝在鏡筒前端。在鏡筒內(nèi)部有一個(gè)小型的平面反射鏡，將系統(tǒng)的光路偏轉(zhuǎn)90°射入目鏡。

牛頓制作的望遠(yuǎn)鏡

反射式望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明使得天文望遠(yuǎn)鏡大型化成為了可能。

一方面它只需要磨制一個(gè)反射面來匯聚光線，降低了大型鏡片的制作難度；

另一方面鏡身可以采用桁架結(jié)構(gòu)減輕望遠(yuǎn)鏡的整體重量；

更重要的是它從本質(zhì)上克服了折射式光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的色差。

恒星天文學(xué)之父、英國天文學(xué)家威廉·赫歇爾曾經(jīng)非常熱衷于制作大口徑反射望遠(yuǎn)鏡。他一生中制作了數(shù)十架反射式望遠(yuǎn)鏡，其中最大的一臺(tái)反射式望遠(yuǎn)鏡，鏡片直徑達(dá)到1220mm。這些大型的反射望遠(yuǎn)鏡幫助赫歇爾在天文觀測上取得了巨大的成就。

威廉·赫歇爾制作的大型反射望遠(yuǎn)鏡

赫歇爾制作的這種大型反射式天文望遠(yuǎn)鏡，結(jié)構(gòu)尺寸巨大。

由于目鏡位于望遠(yuǎn)鏡的前端，觀測時(shí)人需要爬到高處的觀測平臺(tái)上，顯得十分不便。

實(shí)際上早在1672年，洛冉·卡塞格林便提出了一種反射式望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)。

它最大的特點(diǎn)是在主反射鏡的中央開了一個(gè)圓孔，由凸面的副反射鏡將光線反轉(zhuǎn)180°從主反射鏡中央的圓孔中射出進(jìn)入目鏡。這一結(jié)構(gòu)使得觀測者可以像使用折射式望遠(yuǎn)鏡一樣從望遠(yuǎn)鏡后端進(jìn)行觀測。

牛頓式反射望遠(yuǎn)鏡和卡塞格林式反射望遠(yuǎn)鏡

凹球面反射主鏡制作起來相對(duì)比較容易，但是凹球面本身也存在一個(gè)嚴(yán)重的光學(xué)缺陷。

實(shí)際上凹球面是不可能將平行光匯聚到一個(gè)點(diǎn)上的，它只能將平行光匯聚在一條位于光軸的直線上。

這種現(xiàn)象被稱作球面像差，簡稱“球差”。

球差是凹球面反射鏡的基本特性，不可能消除。它的存在嚴(yán)重降低光學(xué)系統(tǒng)的分辨能力。在不改變反射望遠(yuǎn)鏡光學(xué)結(jié)構(gòu)的前提下，減小球差只能盡量增大凹球面的半徑和減小鏡片的直徑。這又制約了反射望遠(yuǎn)鏡性能的發(fā)揮。

球面反射鏡的球差

1931年，德國光學(xué)家施密特通過對(duì)球面像差的研究，發(fā)現(xiàn)可以在主反射鏡前端增加一個(gè)薄的非球面改正鏡，以達(dá)到消除凹球面反射鏡球差的目的。

施密特設(shè)計(jì)的改正鏡是一種類似于波浪形的薄透鏡，這種透鏡制作起來有一定難度。不過它的優(yōu)勢也明顯，重量比較小，適合制作更大口徑的望遠(yuǎn)鏡。

1940年，前蘇聯(lián)光學(xué)大師馬克蘇托夫設(shè)計(jì)了一種全新的改正鏡。

這種改正鏡的兩個(gè)表面采用不同半徑的球面，形狀類似一彎新月，因此也被稱作“彎月鏡”。

彎月鏡最大的優(yōu)點(diǎn)是制作和加工方便。不過缺點(diǎn)也很明顯，口徑越大的光學(xué)系統(tǒng)彎月鏡也越厚，重量也越大。對(duì)制作大口徑望遠(yuǎn)鏡有一定的限制。

折反射式望遠(yuǎn)鏡

無論是施密特改正鏡還是馬克蘇托夫改正鏡，它們均可以被安裝在牛頓式反射望遠(yuǎn)鏡或者卡塞格林式反射望遠(yuǎn)鏡上，用于改正凹球面反射鏡產(chǎn)生的球面像差。這種光學(xué)系統(tǒng)也被稱作折反射式天文望遠(yuǎn)鏡。

事實(shí)上，不使用改正鏡也可以消除球差。例如使用**凹拋物面反射鏡，**不過有利自然就有弊。

一方面拋物面鏡的制作難度極大。時(shí)至今日也只能依靠手工研磨進(jìn)行球面鏡的拋物面化。

近年來，日本威信光學(xué)采用通過鍍膜工藝實(shí)現(xiàn)球面鏡的拋物面化，使得凹拋物面反射鏡的制作成本大大降低，但這一技術(shù)始終未能普及。另一方面拋物面鏡雖然沒有了球差但是又存在彗形像差（簡稱“彗差”）。消除彗差同樣需要相應(yīng)的改正鏡，只不過消除彗差的改正鏡可以安裝在目鏡前端。體積小，而且價(jià)格低廉。

經(jīng)過近四百年的發(fā)展，反射式光學(xué)系統(tǒng)演化出了很多種類型。

大多數(shù)衍生類型都是以改變主、副反射鏡的型面和主、副反射鏡的位置來實(shí)現(xiàn)的。反射望遠(yuǎn)鏡的型面除了前面所說的凹球面、凹拋物面之外還有凹橢球面、凹雙曲面等等。

現(xiàn)今世界上主流的大型光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡絕大多數(shù)都是反射式望遠(yuǎn)鏡的各種衍生版。其中著名的大型天文望遠(yuǎn)鏡包括位于夏威夷莫納克亞山天文臺(tái)的10米口徑凱克I、凱克II望遠(yuǎn)鏡和位于智利塞羅·帕瑞納山歐洲南方天文臺(tái)的4臺(tái)8.2米口徑甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）。

甚至已經(jīng)在地球軌道上運(yùn)行數(shù)十年的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡，以及下一代的大型空間望遠(yuǎn)鏡“詹姆斯-韋伯”都采用了反射式光學(xué)系統(tǒng)。

凱克望遠(yuǎn)鏡

甚大望遠(yuǎn)鏡

新一代的光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡將通過鏡面拼接的方式獲得更大的通光口徑。例如多國合作建設(shè)的“三十米望遠(yuǎn)鏡”（TMT）。它由492塊小型反射鏡片拼接而成，光學(xué)直徑達(dá)到了30米；還有歐洲南方天文臺(tái)在智利建設(shè)中的“歐洲極大望遠(yuǎn)鏡”（E-ELT），它由800塊小型反射鏡拼接而成，光學(xué)直徑達(dá)到了39米。同時(shí)在這些巨型天文望遠(yuǎn)鏡上還采用了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，通過微小改變鏡片的型面克服大氣擾動(dòng)對(duì)觀測的影響。

未來的三十米望遠(yuǎn)鏡TMT

自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)是利用一束激光制造一個(gè)人工星點(diǎn)。觀測人工星點(diǎn)受到大氣擾動(dòng)產(chǎn)生的變化，通過細(xì)微改變望遠(yuǎn)鏡主反射鏡的型面，抵消大氣擾動(dòng)對(duì)觀測的影響。

因此當(dāng)某臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)開始工作時(shí)，我們會(huì)看到一束明亮的激光射向天空。現(xiàn)今，這種系統(tǒng)已經(jīng)普遍應(yīng)用于大型光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡中。

來源: 范一天文