牛顿反射式望远镜

作者|高天可
审核|郑启烛
编辑|席宇博
牛顿反射式望远镜,简称“牛反”,是目前主流的望远镜结构之一。它诞生于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45度角的反射镜,使经过主镜反射后的会聚光经反射镜以90度角反射出镜筒后到达目镜,这种系统称为牛顿反射式望远镜。
牛顿制作的牛顿式反射望远镜复制品(图片来源于网络) 

就会有朋友问:“不是已经有了伽利略式和开普勒式望远镜了吗,为什么还要牛反呢?”伽利略发明的采用透镜的望远镜,随着开普勒和其他人的发展,逐步形成了折射式望远镜,其特征就是采用透镜结构。但是它也有这么两个主要问题困扰着科学家:其一是折射望远镜对镜片磨制的精度要求较高,想制作更大的望远镜的成本实在太高了。其二是因为传播介质改变所形成的色散问题,会改变成像的颜色,称为色差,科学家们只能尽量避免色差(表现为图像边缘带有颜色),但始终无法消除。

可以看到月亮边缘有较为明显的色差(图像来源于赵经远) 

而牛反就不同了,其是通过反射来成像的,不存在色差问题。而且其镜片只需要制作球面或者抛物面,相较于折射式望远镜易于制作,成本较低。由此看来,牛顿式反射望远镜确实是天文望远镜的一大进步。

牛反的结构及光路图(图片来源于维基百科) 

不过牛反也不是没有缺点的,首先,在不使用抛物面镜时会有球面像差(简称球差,不能将影像聚焦在一个点上的现象);在使用抛物面镜的情况下会有彗形像差(简称彗差,类似彗星形状的变形)和视场畸变,不过可以使用彗差镜来消除。然后,因为反射的特质,镜片每一段时间之后就要重新镀膜,较为不便。还有就是,因为结构原因它的成像是颠倒的,无法像折射望远镜那样用一个天顶镜矫正过来。这让它不能用于观测地面景物,可在天文观测上因为基本不存在相对位置导致方向变化的考量,所以这倒也不是很让人头疼的问题。

彗差(图像来源于维基百科) 

负球差(上) 、无球差(中)和正球差(下)(图像来源:维基百科) 

参考资料

1、https://zhidao.baidu.com/question/289334031.html

2、http://www.it88.com.cn/tech/107921/

3、https://baike.baidu.com/item/牛顿式反射望远镜/12760696

4、https://zh.m.wikipedia.org/wiki/%E5%BD%97%E5%BD%A2%E5%83%8F%E5%B7%AE

5、https://zh.m.wikipedia.org/wiki/%E7%90%83%E9%9D%A2%E5%83%8F%E5%B7%AE

6、https://zh.m.wikipedia.org/wiki/%E7%89%9B%E9%A1%BF%E6%9C%9B%E8%BF%9C%E9%95%9C

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