天文望远镜光学工作原理（大型光学望远镜的光学原理应用及发展历史的总结）

人类对于外太空的探索从来没有停止过，而设备技术的升级也在进一步满足着人们对于宇宙奥秘的好奇心。望远镜的发明，可以说是人们从传统意义上用放远了人们视野。在近些年来，人们对于望远镜的升级改造在对宇宙的探索过程中也起到举足轻重的作用，特别是大型光学望远镜的发明。本文就望远镜（特别是大型光学望远镜）的光学原理应用及发展历史做出总结。

首先我们先在了解一下有关望远镜的原理和构造。望远镜利用了口径和焦距的比例（即“焦比”）来衡量成像的能力。一个望远镜一旦建成，口径就已经确定了。例如口径2米的望远镜，焦比 f/8，代表焦距是 2 x 8 = 16米。通常望远镜不会只配备一种焦距，为了实现多种功能，有好几个不同的焦点，每个焦点的焦距不同，配备不同的终端仪器，学者观察天体是就是利用了这些终端仪器。

常见的普通的望远镜组成有：目镜、物镜、中间的棱镜、两个镜筒的连接部分，以及聚焦系统。根据尺寸大小，可用来放大倍率。如下图所示：

普通望远镜图示

天文望远镜就是在普通望远镜的基础上产生的。天文望远镜要有别于普通望远镜。天文望远镜可以分为三类：折射式望远镜、反射式望远镜和折反式望远镜。

折射式望远镜是一种使用透镜（透镜是用透明物质制成的表面为球面一部分的光学元件，镜头是由几片透镜组成的，有塑胶透镜（plastic）和玻璃透镜（glass）两种）做物镜，使用凸透镜或凹透镜作为目镜，利用屈光成像原理（屈光成像：即光线由一种介质进入另一种折射率不同的介质的时候，光线会发生前进方向的改变，折射式望远镜以物镜作为主镜，光线通过镜头和镜筒折射汇聚于一点，称为”焦平面”。）的望远镜。折射式望远镜具有宽广的视野，高对比度和良好的清晰度。这也是最早被发明出的望远镜，现代科技在对其材料以及成像质量做着进一步调整，不断完善折射式望远镜的性能。

折射式望远镜内部图

反射式望远镜是一种使用一个凹的抛物面或球面反射镜将进入镜头的光线汇聚后反射到位于镜筒前端的一个被称为副镜的平面镜上，然后再由这个平面镜将光线反射到镜筒外的目镜里，这样我们便可以观测到星空的影像。反射望远镜具有口径大、无色差的特点。特别是加工成本低廉，使得世界上大型天文望远镜大部分采用了这种结构。

反射式望远镜内部图

折反式望远镜是将折射望远镜与反射望远镜特点相结合的一种望远镜，它的物镜既包含透镜又包含反射镜，天体的光线要同时受到折射和反射。这种望远镜的特点是便于校正像差，同时缩短镜筒长度。

折反式望远镜内部图

无论是普通望远镜还是天文望远镜，对于科学工作人员和平常的天文爱好者都是屡见不鲜的。但这些仪器并不满足我们当下对于宇宙探索的需求。而望远镜的集光能力随着口径的增大而增强，望远镜的集光能力越强，就能看到更暗更远的天体。在这种情况下，大型光学望远镜便产生了。

大型光学望远镜，即大口径光学望远镜，其出现应该追溯到上世纪七十年代。在此期间，出现了一种名为“主动光学”的技术，即为了消除望远镜的光学系统及支架受重力和温度等因素影响引起的变形而采用的一种波面校正技术。这使望远镜的设计思想有了新的思路。在八十年代的时候，国际上开始了对大型光学望远镜的大规模研究与更新。下面我将选择几种大型光学望远镜来进行介绍。

凯克望远镜

目前已有两台完全相同的凯克望远镜被放置在夏威夷的莫纳克亚，其目的是为了做干涉观测。它们的口径都是10米，由36块六棱镜拼接组成，通过主动光学支撑系统，使镜面保持极高的精度。焦面设备有：近红外照相机、高分辨率CCD探测器和高色散光谱仪。

凯克望远镜

甚大望远镜（VLT）

甚大望远镜是由欧洲南方天文台自1986年开始研制的，由4台8米口径望远镜组成一台等效口径为16米的光学望远镜。这4台8米望远镜排列在一条直线上，它们均为RC光学系统，下方装有159个促动器的主动光学系统。四台望远镜既可以单独使用，也可以组成光学干涉仪进行高分辨率观测。从2005年，欧洲南方天文台在甚大望远镜近旁相继建造了4台口径1.8米的辅助望远镜，它们在与4台8.2米望远镜共同组成甚大望远镜干涉仪（VLTI）。这些辅助望远镜不会显著增加干涉仪的聚光面积，但是可以增加基线数目，改善成像质量。

甚大望远镜

双子望远镜

双子望远镜是由多国联合制造，由美国大学天文联盟（AURA）负责实施。该望远镜由两个8米望远镜组成，一个放置在北半球，另一个放置在南半球，以进行全面天文系统的观测。其主镜采用主动光学控制，副镜作倾斜镜快速改正，还将通过自适应光学系统（自适应光学实由补偿大气湍流或其他因素造成的成像过程中波前畸变的最有前景的技术）实红外区接近衍射极限（衍射极限是指一个理想物点经光学系统成像，由于衍射的限制，不可能得到理想像点，而是得到一个夫朗和费衍射像）。其口径长达八米，镜面使用银镀膜以增强反光率。它的镜面薄而大，精确度极高，同时镜面可以调节100次，以抵消风力造成的镜体摇摆，另外它还能消除成像模糊和扭曲现象，获得同哈勃望远镜相同效果的图像。双子望远镜能够观测到80亿光年以外的星体。这些星体由于距离地球及其遥远，我们所观测到的是80亿年前发出的光线，因此科学家得以研究宇宙形成初期的情况。

双子望远镜

昴星团望远镜（SUBARU）

这是一台口径为8米的光学/红外望远镜。其属于大型反射式光学望远镜。它有三个主要特点：意识镜面薄，通过主动光学和自适应光学获得较高成像质量；二是可实现0.1”的高精度跟踪；三是采用圆柱形观测室，自动控制通风可空气过滤器，使热湍流的排除达到最佳条件。此望远镜采用Serrurier桁架，可使主镜框与副镜框在移动中保持平行。

昴星团望远镜

大天区多目标光纤光谱望远镜（LAMOST）

这是我国正在研发和兴建的一架有效通光口径为4米、焦距为20米、视场达20平方度的中星仪式的反射施密特望远镜。它的技术特色有以下几个方面：一是把主动光学技术应用在反射施密特系统，在跟踪天体运动中作实时球差（球差是由于电磁透镜中心区域和边缘对电磁波会聚能力不同造成的）改正，实现大口径的大视场兼备的功能。二是球面主镜和反射镜均采用拼接技术。三是采用了多目标光纤（可达4000根，一般望远镜只有600根）的光谱技术。

大天区多目标光纤光谱望远镜

人类对于外太空的探索在未来时期会不断上升，也就意味着光学望远镜会将不断升级换代。我们期待着人类最终揭开神秘宇宙面纱的那一天~