天文望遠鏡基本知識

1、天文學(xué)是一門古老的學(xué)科，在人類的文明史中占有重要的地天文學(xué)是一門古老的學(xué)科，在人類的文明史中占有重要的地位。觀測是天文學(xué)實驗方法的基本特點，不斷地創(chuàng)造和改革位。觀測是天文學(xué)實驗方法的基本特點，不斷地創(chuàng)造和改革觀測手段，是天文學(xué)家致力不懈的課題。觀測手段，是天文學(xué)家致力不懈的課題。赤道經(jīng)緯儀黃道經(jīng)緯儀紀限儀地平經(jīng)緯儀璣衡撫辰儀天體儀地平經(jīng)儀象限儀 數(shù)百年來，科學(xué)家們?yōu)榱擞^察天體而不斷更新完善天文儀器。他們使用的有折射式望眼鏡、反射式望眼鏡和射電望眼鏡來檢測照射到地球上的星光。他們還使用航空器、氣球、探空火箭和人造衛(wèi)星來收集那些能被大氣層過濾掉的射線。 1608年荷蘭的眼鏡商漢斯.里帕席根據(jù)學(xué)徒的

2、偶然發(fā)現(xiàn)，制成了第一架望遠鏡。 1609年，伽利略制成了兩架最早的天文望遠鏡 ，發(fā)現(xiàn)了望遠鏡具有“增加聚光本領(lǐng)和放大視角”的作用。 伽利略把自制的口徑4.5厘米，放大倍率33倍的望遠鏡指向天空，很快發(fā)現(xiàn)了月球上的環(huán)形山、圍繞木星運轉(zhuǎn)的四顆衛(wèi)星、金星的盈虧現(xiàn)象、日面上的黑子、銀河由無數(shù)暗弱恒星構(gòu)成等現(xiàn)象。 德國的開普勒（1571-1630）在伽利略制成天文望遠鏡 后兩年，出版了光學(xué)一書，首次提出了“像差”的概念。并提出了一種新型的望遠鏡，這種望遠鏡被稱為開普勒式望遠鏡。伽利略式：伽利略式：以凸透鏡做物鏡，凹透鏡做目鏡以凸透鏡做物鏡，凹透鏡做目鏡。成正像，。成正像，制造簡單造價低廉，普通觀劇鏡多采

3、用這種光學(xué)系統(tǒng)。制造簡單造價低廉，普通觀劇鏡多采用這種光學(xué)系統(tǒng)。缺點是視場小、放大率小缺點是視場小、放大率小、不能在目鏡端加裝十字絲。、不能在目鏡端加裝十字絲。目前在天文觀測中不采用這種類型的望遠鏡。目前在天文觀測中不采用這種類型的望遠鏡。開普勒式：開普勒式：以凸透鏡做物鏡，凸透鏡做目鏡以凸透鏡做物鏡，凸透鏡做目鏡。是將物鏡。是將物鏡所成的實像用凹透鏡組的目鏡放大，獲得倒像，由于其所成的實像用凹透鏡組的目鏡放大，獲得倒像，由于其視場大，在目鏡組中可以安裝十字絲或動絲，天文觀測視場大，在目鏡組中可以安裝十字絲或動絲，天文觀測中多采用此種類型的望遠鏡。中多采用此種類型的望遠鏡。17世紀望遠鏡剛出現(xiàn)

4、時，不僅口徑較小，而且成像質(zhì)量世紀望遠鏡剛出現(xiàn)時，不僅口徑較小，而且成像質(zhì)量相當(dāng)差。因為當(dāng)時的物鏡都是單透鏡，像差，特別是其中相當(dāng)差。因為當(dāng)時的物鏡都是單透鏡，像差，特別是其中的的色差非常嚴重色差非常嚴重，它使觀測到的天體不能呈現(xiàn)出清晰的像，它使觀測到的天體不能呈現(xiàn)出清晰的像，而是帶五顏六色光圈的像斑。而是帶五顏六色光圈的像斑。這種像差的成因當(dāng)時尚未弄清楚，但當(dāng)時人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種像差的成因當(dāng)時尚未弄清楚，但當(dāng)時人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)透鏡曲率變小，焦距變長時，色差就會減小，成像質(zhì)量當(dāng)透鏡曲率變小，焦距變長時，色差就會減小，成像質(zhì)量就比較好。于是天文學(xué)家相繼采用長焦距的望遠鏡。就比較好。于是天文學(xué)家相

5、繼采用長焦距的望遠鏡。1673年，波蘭的赫維留年，波蘭的赫維留（1611-1687）制成了一架）制成了一架長達長達46米的望遠鏡，吊在米的望遠鏡，吊在30米高的桅桿上，要許多人用繩米高的桅桿上，要許多人用繩子拉著它起落升降。子拉著它起落升降。1666年，牛頓證明天體的光并非單色光，而是由各年，牛頓證明天體的光并非單色光，而是由各種顏色的光混合而成。望遠鏡的色差是由于透鏡對不種顏色的光混合而成。望遠鏡的色差是由于透鏡對不同顏色的光具有同顏色的光具有不同的折射率不同的折射率而造成。而造成。為了根本消除色差，牛頓干脆不為了根本消除色差，牛頓干脆不用光的折射特性，而用用光的折射特性，而用反射特性反射特

6、性。1668年，他制成了第一架反射年，他制成了第一架反射望遠鏡，物鏡是凹球面金屬鏡，望遠鏡，物鏡是凹球面金屬鏡，物鏡焦點前裝一塊和光軸成物鏡焦點前裝一塊和光軸成45的平面反光鏡，將星光反射到鏡的平面反光鏡，將星光反射到鏡筒一邊，用目鏡觀察。筒一邊，用目鏡觀察。在牛頓之前，英國數(shù)學(xué)家格里果里（在牛頓之前，英國數(shù)學(xué)家格里果里（1638-1675）在在1663年提出一種反射望遠鏡的設(shè)計方案，以拋物年提出一種反射望遠鏡的設(shè)計方案，以拋物面為主鏡，橢球鏡面鏡為副鏡，主鏡中央開有圓孔，面為主鏡，橢球鏡面鏡為副鏡，主鏡中央開有圓孔，F(xiàn)1是主鏡的焦點暨副鏡的一個焦點，光線經(jīng)副鏡會聚是主鏡的焦點暨副鏡的一個焦點

7、，光線經(jīng)副鏡會聚后，必聚焦于副鏡的另一個焦點后，必聚焦于副鏡的另一個焦點F2處。處。由于主鏡副鏡都是非球面鏡，當(dāng)時的工藝水平無法磨由于主鏡副鏡都是非球面鏡，當(dāng)時的工藝水平無法磨制，所以格里果里并沒有制成這種望遠鏡。制，所以格里果里并沒有制成這種望遠鏡。在牛頓反射鏡問世后不久，法國人卡塞格林（在牛頓反射鏡問世后不久，法國人卡塞格林（1625-1712）在）在1672年提出了又一種反射望遠鏡的設(shè)計年提出了又一種反射望遠鏡的設(shè)計方案，主鏡是拋物面鏡，副鏡是凸雙曲面鏡，主鏡中方案，主鏡是拋物面鏡，副鏡是凸雙曲面鏡，主鏡中間開有圓孔，間開有圓孔， F1是主鏡的焦點暨副鏡的一個焦點，根是主鏡的焦點暨副鏡的

8、一個焦點，根據(jù)雙曲面的光學(xué)特性，光線經(jīng)副鏡會聚后，必聚焦于據(jù)雙曲面的光學(xué)特性，光線經(jīng)副鏡會聚后，必聚焦于副鏡的另一個焦點副鏡的另一個焦點F2處。這種反射鏡目前還經(jīng)常采用。處。這種反射鏡目前還經(jīng)常采用。1781年年3月月13日，英日，英國天文學(xué)家威廉國天文學(xué)家威廉.赫歇赫歇爾（爾（1738-1822）用他自制的口徑用他自制的口徑15厘厘米的反射鏡發(fā)現(xiàn)了天王米的反射鏡發(fā)現(xiàn)了天王星，把太陽系的尺度擴星，把太陽系的尺度擴大了一倍。大了一倍。發(fā)現(xiàn)了天王星后，赫歇發(fā)現(xiàn)了天王星后，赫歇爾磨制的望遠鏡口徑越爾磨制的望遠鏡口徑越來越大，他是使反射鏡來越大，他是使反射鏡大型化的始祖。大型化的始祖。1789年赫歇年

9、赫歇爾制成當(dāng)時世爾制成當(dāng)時世界上最大的望界上最大的望遠鏡。口徑遠鏡?？趶?.22米，焦距米，焦距12.2米。米。1919世紀下半葉是大型折射望遠鏡的時代，美國的光學(xué)制造家世紀下半葉是大型折射望遠鏡的時代，美國的光學(xué)制造家克拉克父子在克拉克父子在18701870年以后陸續(xù)磨制了口徑年以后陸續(xù)磨制了口徑6666厘米、厘米、7676厘米、厘米、9191厘米、厘米、102102厘米的折射鏡。厘米的折射鏡。 20世紀的上半葉巨世紀的上半葉巨型反射鏡又占了上風(fēng)。型反射鏡又占了上風(fēng)。由于磨制材料的改進，由于磨制材料的改進，用玻璃代替了金屬，用玻璃代替了金屬，并發(fā)明了玻璃鍍銀技并發(fā)明了玻璃鍍銀技術(shù)，許多大口徑

10、反射術(shù)，許多大口徑反射鏡相繼建成。鏡相繼建成。1948年口徑年口徑508厘米的海厘米的海爾反射望遠鏡交付使爾反射望遠鏡交付使用。用。 牛頓從理論上弄清了色差的成因，但錯誤的做出折射物鏡牛頓從理論上弄清了色差的成因，但錯誤的做出折射物鏡色差無法消除的結(jié)論。由于牛頓極高的威望，不少人盲從色差無法消除的結(jié)論。由于牛頓極高的威望，不少人盲從了他的觀點。直到了他的觀點。直到18世紀世紀30年代，英國數(shù)學(xué)家年代，英國數(shù)學(xué)家C.M.霍爾霍爾發(fā)現(xiàn)，用冕牌玻璃作凸透鏡，發(fā)現(xiàn)，用冕牌玻璃作凸透鏡，用火石玻璃作凹透鏡，所制用火石玻璃作凹透鏡，所制成的復(fù)合透鏡能消除色差成的復(fù)合透鏡能消除色差。由于消色差折射物由于消色

11、差折射物鏡的制成，人們再鏡的制成，人們再也不用為減少色差也不用為減少色差而拼命加長物鏡的而拼命加長物鏡的焦距了。從此后，焦距了。從此后，折射望遠鏡的鏡筒折射望遠鏡的鏡筒便大大縮短了。便大大縮短了。1930年德國的施密特制造出第一架折反射望遠鏡。年德國的施密特制造出第一架折反射望遠鏡。同時使用反射鏡和折射鏡同時使用反射鏡和折射鏡。反射鏡是球面鏡，放在。反射鏡是球面鏡，放在球面曲率中心的形狀奇特的透鏡做球面曲率中心的形狀奇特的透鏡做“改正鏡改正鏡”，可以，可以補償反射鏡引起的球差，又不會產(chǎn)生明顯的色差。補償反射鏡引起的球差，又不會產(chǎn)生明顯的色差。1940年蘇聯(lián)光學(xué)家馬克蘇托夫發(fā)明馬克蘇托夫望年蘇聯(lián)

12、光學(xué)家馬克蘇托夫發(fā)明馬克蘇托夫望遠鏡，和施密特望遠鏡類似，它的改正鏡是彎月形，遠鏡，和施密特望遠鏡類似，它的改正鏡是彎月形，兩個表面都是球面。制作容易。和反射鏡相比，折兩個表面都是球面。制作容易。和反射鏡相比，折反射鏡的視場可以做的較大，有利于拍攝。反射鏡的視場可以做的較大，有利于拍攝。1931年至年至1932年，美國的電信工程師央斯基（年，美國的電信工程師央斯基（1905-1950）在研究無線電短波通訊中的各項干擾因素時，用無線）在研究無線電短波通訊中的各項干擾因素時，用無線接收天線，接收到來自銀河中心的電磁輻射，開創(chuàng)了射電天文接收天線，接收到來自銀河中心的電磁輻射，開創(chuàng)了射電天文學(xué)。學(xué)。

13、宇宙中的各類天體發(fā)射著從波長宇宙中的各類天體發(fā)射著從波長10106 6米米-10-10-14-14米范米范圍內(nèi)的電磁輻射圍內(nèi)的電磁輻射 , ,地面上只能通過兩個窗口地面上只能通過兩個窗口光學(xué)和射光學(xué)和射電電去觀察星象。射電望遠鏡是指觀測和研究來自去觀察星象。射電望遠鏡是指觀測和研究來自天體天體的射電波的射電波的基本設(shè)備，可以測量天體射電的強度、頻的基本設(shè)備，可以測量天體射電的強度、頻譜及偏振等量。譜及偏振等量。甚大天線陣甚大天線陣望遠鏡的口徑：望遠鏡的口徑：指望遠鏡物鏡所能收到的最大光束的直徑。指望遠鏡物鏡所能收到的最大光束的直徑。通常將經(jīng)過鏡框限制后所能接收到的最大光束的直徑稱為通常將經(jīng)過鏡

14、框限制后所能接收到的最大光束的直徑稱為有效口徑有效口徑D D或入射光瞳?；蛉肷涔馔＝裹c：焦點：平行于望遠鏡光軸的入射光束，通過理想光學(xué)系統(tǒng)平行于望遠鏡光軸的入射光束，通過理想光學(xué)系統(tǒng)后匯聚在光軸上的那一點稱為焦點。位于主軸上的焦點稱后匯聚在光軸上的那一點稱為焦點。位于主軸上的焦點稱為主焦點。為主焦點。焦距：焦距：從望遠鏡光學(xué)系統(tǒng)主點到主焦點的距離稱為焦距從望遠鏡光學(xué)系統(tǒng)主點到主焦點的距離稱為焦距F F。相對口徑：相對口徑：望遠鏡有效口徑望遠鏡有效口徑D與焦距與焦距F之比。通常將相對之比。通常將相對口徑口徑A稱為相對孔徑、光力或口徑比。記為稱為相對孔徑、光力或口徑比。記為 A=D/F焦比：焦比

15、：將相對口徑的倒數(shù)將相對口徑的倒數(shù)1/A稱為焦比或相對焦距。照稱為焦比或相對焦距。照相機鏡頭上稱為光圈。相機鏡頭上稱為光圈。出射光瞳：出射光瞳：指物鏡通過目鏡系統(tǒng)所成的像。一般出射光瞳指物鏡通過目鏡系統(tǒng)所成的像。一般出射光瞳d的直徑不能很大，最大值最好小于人眼瞳孔的直徑，否的直徑不能很大，最大值最好小于人眼瞳孔的直徑，否則從望遠鏡射出的光將不能全部進入人眼。則從望遠鏡射出的光將不能全部進入人眼。聚光本領(lǐng)：聚光本領(lǐng)：望遠鏡收集的光能與人眼瞳孔所接收的光能力之望遠鏡收集的光能與人眼瞳孔所接收的光能力之比稱為望遠鏡的聚光本領(lǐng)比稱為望遠鏡的聚光本領(lǐng)P。望遠鏡的聚光本領(lǐng)可以用公。望遠鏡的聚光本領(lǐng)可以用公

16、式式P=D2/d眼眼2表示。表示。 人眼瞳孔直徑人眼瞳孔直徑d眼眼在白天約為在白天約為2.5毫米，夜晚約為毫米，夜晚約為5毫米，在完全適應(yīng)黑暗環(huán)境的條件下，瞳孔最大直徑不毫米，在完全適應(yīng)黑暗環(huán)境的條件下，瞳孔最大直徑不超過超過8毫米。毫米。 在理想條件下，有效口徑在理想條件下，有效口徑80毫米望遠鏡的聚光毫米望遠鏡的聚光本領(lǐng)本領(lǐng)P=(80/8)2=100，可見望遠鏡發(fā)揮了增加聚光本領(lǐng)，可見望遠鏡發(fā)揮了增加聚光本領(lǐng)的作用。的作用。放大率：放大率：放大率放大率=F物物/F目目 望遠鏡的有效放大倍數(shù)與望遠鏡物鏡的有望遠鏡的有效放大倍數(shù)與望遠鏡物鏡的有效口徑有關(guān)，口徑越大有效放大倍數(shù)越大，如果硬效口徑

17、有關(guān)，口徑越大有效放大倍數(shù)越大，如果硬將小口徑望遠鏡的倍數(shù)調(diào)大，星像的細節(jié)部分還是將小口徑望遠鏡的倍數(shù)調(diào)大，星像的細節(jié)部分還是看不到，反而會使觀測天體變得很暗，而且由于光看不到，反而會使觀測天體變得很暗，而且由于光的衍射效應(yīng)，星像會變得模糊。的衍射效應(yīng)，星像會變得模糊。分辨角：分辨角：把望遠鏡能分清為兩個物點的最小角距離稱把望遠鏡能分清為兩個物點的最小角距離稱為分辨角，也叫分辨率。為分辨角，也叫分辨率。視場：視場：用目視望遠鏡觀測星空時所能見到的天空部分用目視望遠鏡觀測星空時所能見到的天空部分的角直徑叫視場。當(dāng)目鏡的工作視場一定時，望遠鏡的角直徑叫視場。當(dāng)目鏡的工作視場一定時，望遠鏡的視場與放

18、大率成反比。的視場與放大率成反比。望遠鏡主要解決望遠鏡主要解決“看得見看得見”和和“看得清看得清”兩方面的問題。兩方面的問題。前者指接收到光子的數(shù)量有多少，后者指光子在視網(wǎng)前者指接收到光子的數(shù)量有多少，后者指光子在視網(wǎng)膜上集合成像的清晰度。膜上集合成像的清晰度。望遠鏡的口徑越大，接收到望遠鏡的口徑越大，接收到的光子數(shù)越多，的光子數(shù)越多，“看得見看得見”的本領(lǐng)就越高的本領(lǐng)就越高?！翱吹们蹇吹们濉钡膯栴}和光學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量，如玻璃的品質(zhì)、的問題和光學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量，如玻璃的品質(zhì)、加工精度、裝配精度、保養(yǎng)狀況有關(guān)，但即使是理想加工精度、裝配精度、保養(yǎng)狀況有關(guān)，但即使是理想的光學(xué)系統(tǒng)，仍有一個不可逾越的限制，

19、即光的衍射的光學(xué)系統(tǒng)，仍有一個不可逾越的限制，即光的衍射效應(yīng)。效應(yīng)。重點重點 為了使望遠鏡能夠觀測天球上任意位置的天為了使望遠鏡能夠觀測天球上任意位置的天體，它必須能夠繞兩條互相垂直的軸線旋轉(zhuǎn)。根據(jù)軸體，它必須能夠繞兩條互相垂直的軸線旋轉(zhuǎn)。根據(jù)軸線方向選擇的不同，望遠鏡的裝置分為兩類：線方向選擇的不同，望遠鏡的裝置分為兩類：地平式地平式裝置和赤道式裝置。裝置和赤道式裝置。 一條軸線沿鉛垂一條軸線沿鉛垂線方向，稱為豎線方向，稱為豎直軸；另一條軸直軸；另一條軸線沿水平方向，線沿水平方向，稱為水平軸。稱為水平軸。當(dāng)當(dāng)繞豎直軸旋轉(zhuǎn)時，繞豎直軸旋轉(zhuǎn)時，望遠鏡的地平緯望遠鏡的地平緯度不變，地平經(jīng)度不變，地

20、平經(jīng)度改變；當(dāng)繞水度改變；當(dāng)繞水平軸旋轉(zhuǎn)時，望平軸旋轉(zhuǎn)時，望遠鏡的地平經(jīng)度遠鏡的地平經(jīng)度不變，地平緯度不變，地平緯度改變。改變。天體觀測一般都需要天體觀測一般都需要較長的時間，由于天較長的時間，由于天體的周日視運動，望體的周日視運動，望遠鏡最好能跟蹤，最遠鏡最好能跟蹤，最方便的辦法是把一條方便的辦法是把一條旋轉(zhuǎn)軸沿平行于天軸旋轉(zhuǎn)軸沿平行于天軸的方向放置，這就是的方向放置，這就是“極軸極軸”，這種裝置，這種裝置稱為赤道式裝置，另稱為赤道式裝置，另一條軸線位于天球的一條軸線位于天球的赤道面內(nèi)，就是赤道面內(nèi)，就是“赤赤緯軸緯軸”。當(dāng)繞極軸旋當(dāng)繞極軸旋轉(zhuǎn)時，望遠鏡的赤緯轉(zhuǎn)時，望遠鏡的赤緯不變，赤經(jīng)改變

21、；當(dāng)不變，赤經(jīng)改變；當(dāng)繞赤緯軸旋轉(zhuǎn)時，望繞赤緯軸旋轉(zhuǎn)時，望遠鏡的赤經(jīng)不變，赤遠鏡的赤經(jīng)不變，赤緯改變。緯改變。現(xiàn)在現(xiàn)在常見的是開普勒式雙筒鏡常見的是開普勒式雙筒鏡，它的視場比伽利略式的大，而且，它的視場比伽利略式的大，而且成像更加清晰，但開普勒式雙筒鏡成的是倒立的像，為了得到正成像更加清晰，但開普勒式雙筒鏡成的是倒立的像，為了得到正像，在它的光路中加有轉(zhuǎn)像棱鏡或轉(zhuǎn)像透鏡，這些轉(zhuǎn)像裝置在地像，在它的光路中加有轉(zhuǎn)像棱鏡或轉(zhuǎn)像透鏡，這些轉(zhuǎn)像裝置在地面觀測中是必不可少的。但像的倒正對天文觀測來說無關(guān)緊要，面觀測中是必不可少的。但像的倒正對天文觀測來說無關(guān)緊要，不過正像望遠鏡可以給初學(xué)者找星帶來方便。不過正像望遠鏡可以給初學(xué)者找星帶來方便。雙筒鏡采用的是雙筒鏡采用的是折射系統(tǒng)折射系統(tǒng)，可分為伽利略式和開普勒式可分為伽利略式和開普勒式兩種。伽利略式雙筒鏡結(jié)構(gòu)兩種。伽利略式雙筒鏡結(jié)構(gòu)簡單，光能損失小、鏡筒較簡單，光能損失小、鏡筒較短、價格