英國數學家、物理學家、天文學家艾薩克·牛頓認為可以采用一定形狀的表面反射來實現光線的匯聚。

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反射式天文望遠鏡。

這臺反射式天文望遠鏡的反射鏡面直徑是25mm，鏡筒長度是150mm。

與折射式望遠鏡不同的是，它的目鏡安裝在鏡筒前端。在鏡筒內部有一個小型的平面反射鏡，將系統的光路偏轉90°射入目鏡。

牛頓制作的望遠鏡

反射式望遠鏡的發明使得天文望遠鏡大型化成為了可能。

一方面它只需要磨制一個反射面來匯聚光線，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構減輕望遠鏡的整體重量；

更重要的是它從本質上克服了折射式光學系統產生的色差。

恒星天文學之父、英國天文學家威廉·赫歇爾曾經非常熱衷于制作大口徑反射望遠鏡。他一生中制作了數十架反射式望遠鏡，其中最大的一臺反射式望遠鏡，鏡片直徑達到1220mm。這些大型的反射望遠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鏡

赫歇爾制作的這種大型反射式天文望遠鏡，結構尺寸巨大。

由于目鏡位于望遠鏡的前端，觀測時人需要爬到高處的觀測平臺上，顯得十分不便。

實際上早在1672年，洛冉·卡塞格林便提出了一種反射式望遠鏡的結構。

它最大的特點是在主反射鏡的中央開了一個圓孔，由凸面的副反射鏡將光線反轉180°從主反射鏡中央的圓孔中射出進入目鏡。這一結構使得觀測者可以像使用折射式望遠鏡一樣從望遠鏡后端進行觀測。

牛頓式反射望遠鏡和卡塞格林式反射望遠鏡

凹球面反射主鏡制作起來相對比較容易，但是凹球面本身也存在一個嚴重的光學缺陷。

實際上凹球面是不可能將平行光匯聚到一個點上的，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。它的存在嚴重降低光學系統的分辨能力。在不改變反射望遠鏡光學結構的前提下，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鏡性能的發揮。

球面反射鏡的球差

1931年，德國光學家施密特通過對球面像差的研究，發現可以在主反射鏡前端增加一個薄的非球面改正鏡，以達到消除凹球面反射鏡球差的目的。

施密特設計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。不過它的優勢也明顯，重量比較小，適合制作更大口徑的望遠鏡。

1940年，前蘇聯光學大師馬克蘇托夫設計了一種全新的改正鏡。

這種改正鏡的兩個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”。

彎月鏡最大的優點是制作和加工方便。不過缺點也很明顯，口徑越大的光學系統彎月鏡也越厚，重量也越大。對制作大口徑望遠鏡有一定的限制。

折反射式望遠鏡

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鏡或者卡塞格林式反射望遠鏡上，用于改正凹球面反射鏡產生的球面像差。這種光學系統也被稱作折反射式天文望遠鏡。

事實上，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。時至今日也只能依靠手工研磨進行球面鏡的拋物面化。

近年來，日本威信光學采用通過鍍膜工藝實現球面鏡的拋物面化，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，而且價格低廉。

經過近四百年的發展，反射式光學系統演化出了很多種類型。

大多數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現的。反射望遠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。

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

甚至已經在地球軌道上運行數十年的哈勃空間望遠鏡，以及下一代的大型空間望遠鏡“詹姆斯-韋伯”都采用了反射式光學系統。

凱克望遠鏡

甚大望遠鏡

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

未來的三十米望遠鏡TMT

自適應光學系統是利用一束激光制造一個人工星點。觀測人工星點受到大氣擾動產生的變化，通過細微改變望遠鏡主反射鏡的型面，抵消大氣擾動對觀測的影響。

因此當某臺望遠鏡的自適應光學系統開始工作時，我們會看到一束明亮的激光射向天空。現今，這種系統已經普遍應用于大型光學天文望遠鏡中。

來源: 范一天文