为什么望远镜 看上去是正立的像?

为什么望远镜 看上去是正立的像?

折射望远镜产生的像差,主要是因为光线通过透镜以后再聚焦而产生的,那么能不能不通过透镜折射后聚焦而通过镜面的反射而聚焦成像呢?为此英国的物理学家、天文学家牛顿首先提出用一定形状的反射镜,也可以把平行光线会聚在一起而聚焦成像.
1868年牛顿亲自动手磨制了一块凹球面镜.镜子材料选用合金(铜、锡、砷),颜色为白色,镜面直径为2．5厘米,镜筒为15厘米长的金属筒,在镜筒末端安装了物镜.当来自天体的平行光束,投射到物镜上,经过反射后会聚到焦点处,然后可以看到天体的像.此焦点又称主焦点,在主焦点前安放一个小平面镜,使它与主轴光线之间夹角为45°.把光线转向90°,然后在镜筒一侧聚焦成像,此焦点称为牛顿焦点.在牛顿焦点后安放目镜便可以进行观测了,这是牛顿制作的第一架反射望远镜.这种望远镜外形上短粗矮胖,产生的物像可以被放大40倍.
牛顿制造第一架反射望远镜虽然不想公开宣传,但引起了人们的关注.后来牛顿又制作了第二架反射望远镜,物镜口径为5厘米.他于1672年1月11日送给皇家学会,目前这架反射望远镜,仍在英国得以很好地保存.
反射望远镜的发明,为望远镜家族增加了新的活力,人们以极大的热情研究不同类型的的反射望远镜.最早提出制作新型反射望远镜的人是英国天文学家詹姆斯·格雷果里.1663年,他提出一个方案：利用两面镜子,一面主镜,一面副镜；口径较大的凹抛物面镜作为主镜,镜中心钻个圆孔,把此镜放在望远镜的一端,让光线从另一端进入镜筒射在主镜上,经过主镜的反射光线会聚至焦点处,再选口径较小的凹椭球面镜作副镜,将它放置在镜筒内的主镜焦点后,经副镜重新反射发散,使光线进入主镜的中心,然后再重新聚焦(P2)成像.在主镜后焦点处再通过目镜产生一个放大像.用这种望远镜观看时,如同折射望远镜一样,观测者直接对着物体的方向观测.但是这种反射镜的镜面要求较高,磨制起来比较困难,并且镜筒长场曲较大.所以格雷果里始终没能造出一架可以用来工作的反射望远镜.但是,他的理论丝毫没有错,后来有人据此制作的“格里式望远镜”一直工作得很好.
1672年法国人N·卡塞格林提出新的反望镜远镜设计方案.他对格里式望远镜进行改进,主镜仍是中心有孔的凹抛物面镜,只是把副镜磨制成凸双曲面镜.当来自天体平行主轴的光线,投射到主镜上,再经过主镜反射,在镜前聚焦,在光束尚未完全汇聚时,又受到在主焦点前的副镜再一次反射,使光线发散,然后穿过主镜中心孔后再聚焦,此焦点又称卡塞格林焦点.同样在此焦点处用目镜观看,则可看到再放大的像.这种反射望远镜称为卡塞格林望远镜,简称卡式望远镜.卡式望远镜焦距长而镜筒短,得到倍率大、星像大的好效果.拍摄天体也可得到大而清晰的像.若将卡式的副镜换成平面镜,安放在与光轴成 45°角的位置,这样可改成牛顿式望远镜,在侧面成像.因为这种望远镜有两种光路成像系统,所以又称为耐司姆斯望远镜.
在反射望远镜加工制造者中,最为突出的是英国天文学家威廉·赫歇尔(1738—1822年).赫歇尔生于德国的汉诺威,1757年迁居英国.起初在英国生活时,由于能吹一手好号,先是担任音乐教师,但他的兴趣很广泛,特别渴望观测浩翰的宇宙、观测美丽的行星和神奇的恒星.他曾租了一架长60厘米的格雷果里式望远镜,对星空进行观测,但效果不好.若要购置较好的望远镜,因为经济条件窘困又难以实现.于是赫歇尔下决心自己磨制望远镜了.1772年,他把妹妹卡罗琳从汉诺威接到英国,照料他的生活,自己则专心投入磨镜子的工作.他磨制第一块镜子时非常刻苦顽强,一天连续磨制好几个小时,有一次竟达16小时,连吃饭都顾不上,只好让妹妹给他喂饭吃.凭着这种坚韧不拔的精神,终于磨制出了第一块直径为15厘米的反射镜,并制作了一架长2．1米,可放大40倍的牛顿式反射望远镜.他用这架望远镜观看了猎户座大星云,并且清楚地观测到了土星光环.特别是在1781年3月13日,赫歇尔在观测天体时,偶然在望远镜中看到的天体不是个光点而呈现出一个圆面.开始他认为发现了新彗星,但进一步观测,发现这个天体像行星那样环绕太阳运动,以后证实这是一颗远离太阳28亿千米的新行星,被命名为天王星.
天王星的发现轰动了英国,赫歇尔立即被选为英国皇家学会会员,被授于显赫的荣誉,获得了科普利奖.赫歇尔一生中磨制了数百架天文望远镜,其中在1786年磨制了最大的一架望远镜,口径为122厘米,镜筒长为12．2米.这个庞然大物在巨大的构架中竖立起来,看上去活像一尊指向天空的大炮,人们进行观测时需要爬到镜筒内寻找焦点.它所设计的光路称为赫式望远镜,望远镜将主镜斜放镜筒一端,将会聚光束的焦点靠近前方,去掉副镜直接用目镜进焦点处进行观测.当他使用这个庞然大物在观测的第一夜,就发现了土星的两颗新卫星.以后观测银河系也取得很大成功.赫歇尔不愧为在天文学发展史上立下丰功伟绩的全能天文学家.
19世纪中叶,制作反射望远镜口径最大的是英国天文学家罗斯伯爵,他出身贵族喜好天文,在1842年他开始筹措制造口径184厘米的大反射望远镜,历经三年的磨制,从四次失败目前在天文观测中,反射望远镜已成为现代天文观测的常用工具.世界上已建造口径在2米以上的反射望远镜有15台之多,超过5米口径以上的反射望远镜,已有三台.最著名的是安装在美国帕洛马山的天文台内的508厘米反射望远镜.制造这架望远镜,曾经历了许多风风雨雨.
1928年美国天文学家海尔已近晚年,当时洛杉矶城市已很繁荣,城市灯光很亮,离此城不远的威尔逊山天文台受到干扰,为避免城市灯光干扰,并且提高观测能力,海尔决定在距离威尔逊东南145千米的帕洛马山上,建造了一个508厘米的大反射望远镜.他首先经过严格挑选光学玻璃,磨制前在玻璃背面钻100多个孔洞,使镜后成为蜂窝状,中心钻孔为1．1米.经过漫长的时间磨制,总共磨掉4500千克的玻璃,研磨过程中,消耗掉了28吨金刚砂,最后镜重为 1．45吨,直到1948年才建成.可惜的是1938年海尔与世长辞了,没能看到这架大望远镜的建成,为纪念他的卓越贡献,将此架望远镜命名为“海尔望远镜”.这是全世界望远镜的佼佼者.这架望远镜的建成,为天文学的发展起到了推波助澜的作用.它能探测到宇宙中远达12亿光年的暗弱天体,探测人们所不知道的恒星和星系的秘密,极大地开扩了人类的眼界,扩大了人类认识宇宙的范围,取得的一系列新成果,使天文学向前迈进了一大步.
随着科学技术水平的不断提高,人们在制作大口径反射望远镜方面也不断有所提高.前苏联科学院磨制的口径6米的反射望远镜,1976年安装在俄罗斯高加索山上泽连丘克斯卡亚.进入90年代美国又在夏威夷英纳克亚建成了10米口径大型反射望远镜.我国口径最大的2．16米反射望远镜是1988年在北京天文台河北兴隆观测站落成的.这个观测站地处长城北侧、海拔960米的燕山主峰南麓,这也是一个天体物理光学观测的基地.