关于天文望远镜技术的发展及实际应用情况 - 图文

关于天文望远镜技术的发展及实际应用情况

一、题目：关于天文望远镜技术的发展及实际应用情况

二、研究目的：现今科技发展迅速，人类也在逐渐揭开宇宙神秘莫测的面纱，使得越来越多的人对天文学——这种了解宇宙的方式感兴趣，而天文望远镜也因此应运而生，为人们亲自用肉眼观测浩渺的星空提供帮助。我们针对这种神奇的工具展开调查，从多方面进行了解，让身边的天文爱好者能更客观的认识它——天文望远镜。

三、研究方法：资料研究法

四、研究计划：通过互联网搜索天文望远镜的发展历程、实际应用情况，并结合具体事例说明它对社会造成的多方面影响，作出客观评价。

五、正文

（一）技术发展历史 天文望远镜

天文望远镜（astronomical telescope）是收集天体辐射并能确定辐射源方向的天文观测装置，通常指有聚光和成像功能的天文光学望远镜。

部分发展简史

1611年，德国天文学家开普勒用两片双凸透镜分别作为物镜和目镜，使放大倍数有了明显的提高，以后人们将这种光学系统称为开普勒式望远镜。现在人们用的折射式望远镜还是这两种形式，天文望远镜是采用开普勒式。

需要指出的是，由于当时的望远镜采用单个透镜作为物镜，存在严重的色差，为了获得好的观测效果，需要用曲率非常小的透镜，这势必会造成镜身的加长。所以在很长的一段时间内，天文学家一直在梦想制作更长的望远镜，许多尝试均以失败告终。

1757年，杜隆通过研究玻璃和水的折射和色散，建立了消色差透镜的理论基础，并用冕牌玻璃和火石玻璃制造了消色差透镜。从此，消色差折射望远镜完全取代了长镜身望远镜。但是，由于技术方面的限制，很难铸造较大的火石玻璃，在消色差望远镜的初期，最多只能磨制出10厘米的透镜。

十九世纪末，随着制造技术的提高，制造较大口径的折射望远镜成为可能，随之就出现了一个制造大口径折射望远镜的。世界上现有的8架70厘米以上的折射望远镜有7架是在1885年到1897年期间建成的，其中最有代表性的是1897年建成的口径102厘米的叶凯士望远镜和1886年建成的口径91厘米的里克望远镜。

折射望远镜的优点是焦距长，底片比例尺大，对镜筒弯曲不敏感，最适合于做天体测量方面的工作。但是它总是有残余的色差，同时对紫外、红外波段的辐射吸收很厉害。而巨大的光学玻璃浇制也十分困难。到1897年叶凯士望远镜建成，折射望远镜的发展达到了顶点，此后的这一百年中再也没有更大的折射望远镜出现。这主要是因为从技术上无法铸造出大块完美无缺的玻璃做透镜，并且，由于重力使大尺寸透镜的变形会非常明显，因而丧失明锐的焦点。

反射式望远镜

第一架反射式望远镜诞生于1668年。牛顿经过多次磨制非球面的透镜均告失败后，决定采用球面反射镜作为主镜。他用2.5厘米直径的金属，磨制成一块凹面反射镜，并在主镜的焦点前面放置了一个与主镜成45o角的反射镜，使经主镜反射后的会聚光经反射镜以90o角反射出镜筒后到达目镜。这种系统称为牛顿式反射望远镜。它的球面镜虽然会产生一定的象差，但用反射镜代替折射镜却是一个巨大的成功。

詹姆斯〃格雷戈里在1663年提出一种方案：利用一面主镜，一面副镜，它们均为凹面镜，副镜置于主镜的焦点之外，并在主镜的中央留有小孔，使光线经主镜和副镜两次反射后从小孔中射出，到达目镜。这种设计的目的是要同时消除球差和色差，这就需要一个抛物面的主镜和一个椭球面的副镜，这在理论上是正确的，但当时的制造水平却无法达到这种要求，所以格雷戈里无法得到对他有用的镜子。

1672年，法国人卡塞格林提出了反射式望远镜的第三种设计方案，结构与格雷戈里望远镜相似，不同的是副镜提前到主镜焦点之前，并为凸面镜，这就是现在最常用的卡赛格林式反射望远镜。这样使经副镜镜反射的光稍有些发散，降低了放大率，但是它消除了球差，这样制作望远镜还可以使焦距很短。

卡塞格林式望远镜的主镜和副镜可以有多种不同的形式，光学性能也有所差异。由于卡塞格林式望远镜焦距长而镜身短，放大倍率也大，所得图象清晰；既有卡塞格林焦点，可用来研究小视场内的天体，又可配置牛顿焦点，用以拍摄大面积的天体。因此，卡塞格林式望远镜得到了非常广泛的应用。

赫歇尔是制作反射式望远镜的大师，他早年为音乐师，因为爱好天文，从1773年开始磨制望远镜，一生中制作的望远镜达数百架。赫歇尔制作的望远镜是把物镜斜放在镜筒中，它使平行光经反射后汇聚于镜筒的一侧。

在反射式望远镜发明后的近200年中，反射材料一直是其发展的障碍：铸镜用的青铜易于腐蚀，不得不定期抛光，需要耗费大量财力和时间，而耐腐蚀性好的金属，比青铜密度高且十分昂贵。1856年德国化学家尤斯图斯〃冯〃利比希研究出一种方法，能在玻璃上涂一薄层银，经轻轻的抛光后，可以高效率地反射光。这样，就使得制造更好、更大的反射式望远镜成为可能。

1918年末，口径为254厘米的胡克望远镜投入使用，这是由海尔主持建造的。天文学家用这架望远镜第一次揭示了银河系的真实大小和我们在其中所处的位置，更为重要的是，哈勃的宇宙膨胀理论就是用胡克望远镜观测的结果。 二十世纪二、三十年代，胡克望远镜的成功激发了天文学家建造更大反射式望远镜的热情。1948年，美国建造了口径为508厘米望远镜，为了纪念卓越的望远镜制造大师海尔，将它命名为海尔望远镜。从设计到制造完成海尔望远镜经历了二十多年，尽管它比胡克望远镜看得更远，分辨能力更强，但它并没有使人类对宇宙的有更新的认识。正如阿西莫夫所说：\海尔望远镜（1948年）就象半个世纪以前的叶凯士望远镜（1897年）一样，似乎预兆着一种特定类型的望远镜已经快发展到它的尽头了\。在1976 年前苏联建造了一架600厘米的望远镜，但它发挥的作用还不如海尔望远镜，这也印证了阿西摩夫所说的话。 反射式望远镜有许多优点，比如：没有色差，能在广泛的可见光范围内记录天体发出的信息，且相对于折射望远镜比较容易制作。但由于它也存在固有的不足：如口径越大，视场越小，物镜需要定期镀膜等。

折反射式望远镜

折反射式望远镜最早出现于1814年。1931年，德国光学家施密特用一块别具一格的接近于平行板的非球面薄透镜作为改正镜，与球面反射镜配合，制成了可以消除球差和轴外象差的施密特式折反射望远镜，这种望远镜光力强、视场大、象差小，适合于拍摄大面积的天区照片，尤其是对暗弱星云的拍照效果非常突出。施密特望远镜已经成了天文观测的重要工具。

1940年马克苏托夫用一个弯月形状透镜作为改正透镜，制造出另一种类型的折反射望远镜，它的两个表面是两个曲率不同的球面，相差不大，但曲率和厚度都很大。它的所有表面均为球面，比施密特式望远镜的改正板容易磨制，镜筒也比较短，但视场比施密特式望远镜小，对玻璃的要求也高一些。

由于折反射式望远镜能兼顾折射和反射两种望远镜的优点，非常适合业余的天文观测和天文摄影，并且得到了广大天文爱好者的喜爱。

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，就能够看到更暗更远的天体，这其实就是能够看到了更早期的宇宙。天体物理的发展需要更大口径的望远镜。

但是，随着望远镜口径的增大，一系列的技术问题接踵而来。海尔望远镜的镜头自重达14.5吨，可动部分的重量为530吨，而6米镜更是重达800吨。望远镜的自重引起的镜头变形相当可观，温度的不均匀使镜面产生畸变也影响了成象质量。从制造方面看，传统方法制造望远镜的费用几乎与口径的平方或立方成正比，所以制造更大口径的望远镜必须另辟新径。

自七十年代以来，在望远镜的制造方面发展了许多新技术，涉及光学、力学、计算机、自动控制和精密机械等领域。这些技术使望远镜的制造突破了镜面口径的局限，并且降低造价和简化望远镜结构。特别是主动光学技术的出现和应用，使望远镜的设计思想有了一个飞跃。

从八十年代开始，国际上掀起了制造新一代大型望远镜的热潮。其中，欧洲南方天文台的VLT，美、英、加合作的GEMINI，日本的SUBARU的主镜采用了薄镜面；美国的Keck I、Keck II和HET望远镜的主镜采用了拼接技术。 优秀的传统望远镜卡塞格林焦点在最好的工作状态下，可以将80%的几何光能集中在0〃.6范围内，而采用新技术制造的新一代大型望远镜可保持80％的光能集0〃.2~0〃.4，甚至更好。

专业名词：

1、望远镜的倍率：一架望远镜的倍率是指望远镜拉近物体的能力，如使用一具7倍的望远镜来观察物体，观察到的700米远的物体的效果和肉眼观察到的100米远的物体的效果是相似的（当然，由于环境的影响效果要差一些）。很多人总认为倍率越高越好，一些经销商和厂家也以虚假的高倍来吸引、欺骗消费者，市场上有些望远镜竟然标为990倍！实际上，一架望远镜的合理倍率是与望远镜的口径和观测方式相关的：口径大的，倍数可以适当高些，带支架的的可以比手持的高些。倍率越大，稳定性也就越差，观察视场就越小、越暗，其带来的抖动也大增加，呼吸的气流和空气的波动对其影响也就越大。手持观测的双筒望远镜，7-10倍之间是最合适的，最好不要超过12倍，如果望远镜的倍率超过12倍，那么手持观察将会很不方便。世界各

国军用的望远镜也大多以6-10倍为主，如我国的军用望远镜主要是7倍和8倍的，这是因为清晰稳定的成像是非常重要的。

视场(Field of view)：是指在一定的距离内观察到的范围的大小。视场越大，观测的范围就越宽广越舒适，视场一般用千米处视界（可观测的宽度）和换算成角度(angle of view)来表示，常见的有三种表示方法：一是直接用角度，如angle of view:9°；二是千米处的可视范围，如Field of view:158m/1000m；三是千码处英尺，实际上和第二种差不多，如Field of vies:288ft/1000y.一般来讲，口径越大，倍率越低，视场就越大，但目镜组的设计也很关键。

2、出瞳直径：就是影像通过望远镜后在目镜上形成的光斑大小，出瞳直径可以用下面公式得出：物镜口镜/倍率=出瞳直径。由此可以看出物镜越大、倍数越低，出瞳直径就越大。从理论上讲，出瞳直径越大，所观测到的景物就越明亮，有利于暗弱光线下的观测。因此在选购望远镜时应尽量选择出瞳直径大些的，那么是否越大越好呢？也不是，因为我们正常使用望远镜时大都在白天，这时人眼的瞳孔很小，只有2-3毫米左右，这时如果使用出瞳直径大的如4毫米以上的，则大部分有用光线并不被人眼吸收，反而浪费。人眼只有在黄昏或黑暗时瞳孔才能达到7毫米左右。因此一般情况下使用选择出瞳直径不低于3毫米的就可以了。所以出瞳直径又称为黄昏因数。

（二）对社会的正面影响

2009年是国际天文年，而400年前的1609年，伽利略将望远镜第一次指向天空，这个开创性的伟大发现所触发的科技变革深深地影响并改变了我们的世界观。到现在，在地面和空间中的望远镜能够对宇宙进行一天24小时不间断的全波段探测。随着科技的发展，望远镜将人类的视野带到宇宙更遥远处。

在开普勒望远镜三年半多的任务结束时，它将让我们更好地了解其它类地行星在我们银河系到底是多还是少。观测结果或许将会揭示地球是宇宙中唯一的吗？开普勒望远镜功能强大，以至于它从太空观察地球时，能发现居住在小镇上的人在夜里关掉他家的门廊灯。

（三）对社会的负面影响

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（四）总结评价

天文望远镜是观测天体的重要手段，对于人类了解银河系甚至河外星

系都是必不可少的。可以说，没有天文望远镜就没有现代天文学。天文望远镜正加速着人类对宇宙的感知与认识。 六、研究感受

我们的祖国需要可以仰望星空的人，所以了解天文知识，也成为我的

爱好之一。关于望远镜在世界的影响之大我无法用语言描述。这次研究性学习又让我对望远镜有了进一步的认识，使我受益匪浅。

资料来源：http://www.cnopt.com/article/200809/0Z613552008.html