天文望遠(yuǎn)鏡基本知識

天文望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展歷史

及基礎(chǔ)知識第一頁，共55頁。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)造和改革觀測手段，是天文學(xué)家致力不懈的課題。第二頁，共55頁。北京古觀象臺第三頁，共55頁。渾儀第四頁，共55頁。簡儀第五頁，共55頁。第谷在觀測第六頁，共55頁。意大利物理學(xué)家伽利略（1564-1642）1608年荷蘭的眼鏡商漢斯.里帕席根據(jù)學(xué)徒的偶然發(fā)現(xiàn)，制成了第一架望遠(yuǎn)鏡。1609年，伽利略制成了兩架最早的天文望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)了望遠(yuǎn)鏡具有“增加聚光本領(lǐng)和放大視角”的作用。

第七頁，共55頁。

伽利略把自制的口徑4.5厘米，放大倍率33倍的望遠(yuǎn)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(yùn)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。

第八頁，共55頁。開普勒

德國的開普勒（1571-1630）在伽利略制成天文望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡，這種望遠(yuǎn)鏡被稱為開普勒式望遠(yuǎn)鏡。第九頁，共55頁。伽利略式：以凸透鏡做物鏡，凹透鏡做目鏡。成正像，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、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(yuǎn)鏡。開普勒式：以凸透鏡做物鏡，凸透鏡做目鏡。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(yuǎn)鏡。第十頁，共55頁。望遠(yuǎn)鏡17世紀(jì)望遠(yuǎn)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，特別是其中的色差非常嚴(yán)重，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。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)量就比較好。于是天文學(xué)家相繼采用長焦距的望遠(yuǎn)鏡。第十一頁，共55頁。早期折射望遠(yuǎn)鏡1673年，波蘭的赫維留（1611-1687）制成了一架長達(dá)46米的望遠(yuǎn)鏡，吊在30米高的桅桿上，要許多人用繩子拉著它起落升降。第十二頁，共55頁。色差原理1666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(yuǎn)鏡的色差是由于透鏡對不同顏色的光具有不同的折射率而造成。第十三頁，共55頁?？茖W(xué)巨匠牛頓（1642-1727）第十四頁，共55頁。牛頓反射望遠(yuǎn)鏡為了根本消除色差，牛頓干脆不用光的折射特性，而用反射特性。1668年，他制成了第一架反射望遠(yuǎn)鏡，物鏡是凹球面金屬鏡，物鏡焦點前裝一塊和光軸成45°的平面反光鏡，將星光反射到鏡筒一邊，用目鏡觀察。第十五頁，共55頁。格里果里反射鏡在牛頓之前，英國數(shù)學(xué)家格里果里（1638-1675）在1663年提出一種反射望遠(yuǎn)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，F(xiàn)1是主鏡的焦點暨副鏡的一個焦點，光線經(jīng)副鏡會聚后，必聚焦于副鏡的另一個焦點F2處。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(yuǎn)鏡。第十六頁，共55頁。卡塞格林反射鏡在牛頓反射鏡問世后不久，法國人卡塞格林（1625-1712）在1672年提出了又一種反射望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計方案，主鏡是拋物面鏡，副鏡是凸雙曲面鏡，主鏡中間開有圓孔，F(xiàn)1是主鏡的焦點暨副鏡的一個焦點，根據(jù)雙曲面的光學(xué)特性，光線經(jīng)副鏡會聚后，必聚焦于副鏡的另一個焦點F2處。這種反射鏡目前還經(jīng)常采用。第十七頁，共55頁。赫歇爾的望遠(yuǎn)鏡1781年3月13日，英國天文學(xué)家威廉.赫歇爾（1738-1822）用他自制的口徑15厘米的反射鏡發(fā)現(xiàn)了天王星，把太陽系的尺度擴(kuò)大了一倍。發(fā)現(xiàn)了天王星后，赫歇爾磨制的望遠(yuǎn)鏡口徑越來越大，他是使反射鏡大型化的始祖。第十八頁，共55頁。1789年赫歇爾制成當(dāng)時世界上最大的望遠(yuǎn)鏡?？趶?.22米，焦距12.2米。第十九頁，共55頁。消色差折射鏡的出現(xiàn)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，不少人盲從了他的觀點。直到18世紀(jì)30年代，英國數(shù)學(xué)家C.M.霍爾發(fā)現(xiàn)，用冕牌玻璃作凸透鏡，用火石玻璃作凹透鏡，所制成的復(fù)合透鏡能消除色差。由于消色差折射物鏡的制成，人們再也不用為減少色差而拼命加長物鏡的焦距了。從此后，折射望遠(yuǎn)鏡的鏡筒便大大縮短了。第二十頁，共55頁。大型折射望遠(yuǎn)鏡19世紀(jì)下半葉是大型折射望遠(yuǎn)鏡的時代，美國的光學(xué)制造家克拉克父子在1870年以后陸續(xù)磨制了口徑66厘米、76厘米、91厘米、102厘米的折射鏡。

第二十一頁，共55頁。巨型反射鏡20世紀(jì)的上半葉巨型反射鏡又占了上風(fēng)。由于磨制材料的改進(jìn)，用玻璃代替了金屬，并發(fā)明了玻璃鍍銀技術(shù)，許多大口徑反射鏡相繼建成。1948年口徑508厘米的海爾反射望遠(yuǎn)鏡交付使用。

第二十二頁，共55頁。望遠(yuǎn)鏡第二十三頁，共55頁。最大的望遠(yuǎn)鏡第二十四頁，共55頁。折反射望遠(yuǎn)鏡1930年德國的施密特制造出第一架折反射望遠(yuǎn)鏡。同時使用反射鏡和折射鏡。反射鏡是球面鏡，放在球面曲率中心的形狀奇特的透鏡做“改正鏡”，可以補(bǔ)償反射鏡引起的球差，又不會產(chǎn)生彗差和明顯的色差。1940年蘇聯(lián)光學(xué)家馬克蘇托夫發(fā)明馬克蘇托夫望遠(yuǎn)鏡，和施密特望遠(yuǎn)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，折反射鏡的視場可以做的較大，有利于拍攝。第二十五頁，共55頁。施密特望遠(yuǎn)鏡第二十六頁，共55頁。射電望遠(yuǎn)鏡

1931年至1932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)。

第二十七頁，共55頁。射電望遠(yuǎn)鏡澳洲帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡

第二十八頁，共55頁。密云天線陣第二十九頁，共55頁。大氣窗口

地球被一層厚厚的大氣層包圍，為我們提供了充足的氧氣、適宜的溫度，保護(hù)人類免受來自太空的不速之客，如流星、粒子輻射等等的襲擊。但同時這層“面紗”吸收了大部分波段的電磁波，宇宙中的各類天體發(fā)射著從波長106米-10-14米范圍內(nèi)的電磁輻射,地面上只能通過兩個窗口光學(xué)和射電去觀察星象。50年代人造衛(wèi)星的上天，使得天文學(xué)從地面觀測躍進(jìn)到空間觀測，從狹窄的光學(xué)波段、射電波段擴(kuò)展到整個電磁波譜。

第三十頁，共55頁。第三十一頁，共55頁。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡

第三十二頁，共55頁。望遠(yuǎn)鏡的幾個基本參數(shù)：望遠(yuǎn)鏡的口徑：指望遠(yuǎn)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有效口徑D或入射光瞳。焦點：平行于望遠(yuǎn)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為主焦點。焦距：從望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)主點到主焦點的距離稱為焦距F。第三十三頁，共55頁。望遠(yuǎn)鏡的幾個基本參數(shù)：相對口徑：望遠(yuǎn)鏡有效口徑D與焦距F之比。通常將相對口徑A稱為相對孔徑、光力或口徑比。記為A=D/F焦比：將相對口徑的倒數(shù)1/A稱為焦比或相對焦距。照相機(jī)鏡頭上稱為光圈。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，否則從望遠(yuǎn)鏡射出的光將不能全部進(jìn)入人眼。第三十四頁，共55頁。望遠(yuǎn)鏡的幾個基本參數(shù)：聚光本領(lǐng)：望遠(yuǎn)鏡收集的光能與人眼瞳孔所接收的光能力之比稱為望遠(yuǎn)鏡的聚光本領(lǐng)P。人眼瞳孔直徑d眼在白天約為2.5毫米，夜晚約為5毫米，在完全適應(yīng)黑暗環(huán)境的條件下，瞳孔最大直徑不超過8毫米。望遠(yuǎn)鏡的聚光本領(lǐng)可以用公式P=D2/d眼2表示。在理想條件下，正常人的眼睛可以看到6等星，有效口徑80毫米望遠(yuǎn)鏡的聚光本領(lǐng)P=(80/8)2=100，比肉眼看到的星暗100倍，（2.5*lg100=5）,即通過望遠(yuǎn)鏡可以看到6+5=11等的星?？梢娡h(yuǎn)鏡發(fā)揮了增加聚光本領(lǐng)的作用。第三十五頁，共55頁。望遠(yuǎn)鏡的幾個基本參數(shù)：極限星等：將望遠(yuǎn)鏡指向天頂，肉眼所能看到的最暗恒星的星等稱為極限星等，也叫貫穿本領(lǐng)。極限星等與望遠(yuǎn)鏡的有效口徑、相對口徑、物鏡的吸收系數(shù)、大氣的吸收系數(shù)和天空背景亮度等多種因素有關(guān)。極限星等ml與以厘米為單位的望遠(yuǎn)鏡有效口徑之間的簡單關(guān)系由公式ml=6.9+5lgD

給出。例如有效口徑15厘米的望遠(yuǎn)鏡，極限星等約為12.8等。第三十六頁，共55頁。望遠(yuǎn)鏡的幾個基本參數(shù)：放大率：放大率=F物/F目，或

放大率=D/d望遠(yuǎn)鏡的有效放大倍數(shù)與望遠(yuǎn)鏡物鏡的有效口徑有關(guān)，口徑越大有效放大倍數(shù)越大，如果硬將小口徑望遠(yuǎn)鏡的倍數(shù)調(diào)大，星像的細(xì)節(jié)部分還是看不到，反而會使觀測天體變得很暗，而且由于光的衍射效應(yīng)，星像會變得模糊。一般望遠(yuǎn)鏡的有效放大倍數(shù)是物鏡有效口徑以毫米為單位的值。第三十七頁，共55頁。望遠(yuǎn)鏡的幾個基本參數(shù)：分辨角：把望遠(yuǎn)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。分辨率與光的波長和望遠(yuǎn)鏡的口徑有關(guān)。計算公式為

θ=1.22λ/D（弧度）λ取550納米，D以厘米為單位，θ以角秒為單位

θ=14/D（角秒）第三十八頁，共55頁。望遠(yuǎn)鏡的幾個基本參數(shù)：視場：用目視望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡的視場與放大率成反比。照相望遠(yuǎn)鏡的視場是指底片上星像良好區(qū)域的角直徑。

第三十九頁，共55頁。望遠(yuǎn)鏡主要解決“看得見”和“看得清”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)膜上集合成像的清晰度。望遠(yuǎn)鏡的口徑越大，接收到的光子數(shù)越多，“看得見”的本領(lǐng)就越高?！翱吹们濉钡膯栴}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)。第四十頁，共55頁。由于光的衍射效應(yīng)從一個點發(fā)出的光子被理想的光學(xué)系統(tǒng)聚焦后，仍不能集中在一個點上，而是散布在一個小圓面和外圍一圈一圈逐漸減弱的亮環(huán)中，中央的小圓面稱為“愛里斑（Airy）”，如果兩個光點的距離太近，使各自兩個愛里斑相連，就不能清楚地分辯出兩個光點的像。光的衍射現(xiàn)象限制了“看得清”的能力。

第四十一頁，共55頁。望遠(yuǎn)鏡的機(jī)械裝置望遠(yuǎn)鏡的機(jī)械裝置除了對鏡筒起支撐作用的支架、平衡錘等部件外，最重要的是跟蹤系統(tǒng)。為了使望遠(yuǎn)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)軸線方向選擇的不同，望遠(yuǎn)鏡的裝置分為兩類：地平式裝置。赤道式裝置。

第四十二頁，共55頁。地平式裝置一條軸線沿鉛垂線方向，稱為豎直軸；另一條軸線沿水平方向，稱為水平軸。當(dāng)繞豎直軸旋轉(zhuǎn)時，望遠(yuǎn)鏡的地平緯度不變，地平經(jīng)度改變；當(dāng)繞水平軸旋轉(zhuǎn)時，望遠(yuǎn)鏡的地平經(jīng)度不變，地平緯度改變。第四十三頁，共55頁。赤道式裝置天體觀測一般都需要較長的時間，由于天體的周日視運(yùn)動，望遠(yuǎn)鏡最好能跟蹤，最方便的辦法是把一條旋轉(zhuǎn)軸沿平行于天軸的方向放置，這就是“極軸”，這種裝置稱為赤道式裝置，另一條軸線位于天球的赤道面內(nèi)，就是“赤緯軸”。當(dāng)繞極軸旋轉(zhuǎn)時，望遠(yuǎn)鏡的赤緯不變，赤經(jīng)改變；當(dāng)繞赤緯軸旋轉(zhuǎn)時，望遠(yuǎn)鏡的赤經(jīng)不變，赤緯改變。第四十四頁，共55頁。第四十五頁，共55頁。第四十六頁，共55頁。第四十七頁，共55頁。第四十八頁，共55頁。雙筒望遠(yuǎn)鏡雙筒望遠(yuǎn)鏡具有成像清晰明亮，視場大、攜帶方便、價格便宜等優(yōu)點，很適于天文愛好者用來巡天和觀測星云、星團(tuán)、彗星等面狀天體。在晴朗無月的夜晚用雙筒鏡觀測時，可見在廣闊的視場之中繁星密布，偶爾有一、兩朵星云、星團(tuán)點綴其間，令人心曠神恰。如果你過去一直使用高倍率、長焦距的天文望遠(yuǎn)鏡，也許還沒有意識到自己已經(jīng)失掉了很多觀測的樂趣，那么請試用一下雙筒鏡，你一定會被視場中平時未曾欣賞過的美景深深的陶醉。由于雙簡鏡有著廣泛的用途，所以在市場上它的品種繁多，性能也相差很大。第四十九頁，共55頁。雙筒鏡現(xiàn)在常見的是開普勒式雙筒鏡，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，不過正像望遠(yuǎn)鏡可以給初學(xué)者找星帶來方便。雙筒鏡采用的是折射系統(tǒng)，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)簡單，光能損失小、鏡筒較短、價格也較低，但是，它的放大率一般不能超過6倍，放大率再增加，視場就會迅速減小，視場邊緣變暗。成像質(zhì)量也會下降，所以這種雙筒鏡用得較少。第五十頁，共55頁。雙筒鏡的口徑、放大率和視場一般都標(biāo)在鏡身上?？趶胶头糯舐视脙山M數(shù)字表示，