光学望远镜

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哈勃空间望远镜（HST）工作原理

光学望远镜是用于收集可见光的一种望远镜，并且经由聚焦光线，可以直接放大影像、进行目视观测或者摄影等等，特别是指用於观察夜空，固定在架台上的单筒望远镜，也包括手持的双筒镜和其他用途的望远镜。

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光学望远镜历史

第一架望远镜

伽利略发明的折射式望远镜

1608年，荷兰眼镜商人李波尔赛制造了人类历史上第一架望远镜。1609年，伽利略（Galleo，G．1564~1642）根据“折光理论的深邃研究”，用平凸透镜作为物镜，凹透镜作为目镜制作了一架望远镜。这种光学系统称为伽利略式望远镜。伽利略把望远镜对准天空，得出了一系列重要的发现（如1610年初发现的木星的四颗主要星），开创了天文学史上的第一个黄金时代。1611年，德国天文学家开普勒（Kepter，J．1571~1630）用两片双凸透镜分别作为物镜和目镜制出了另一种望远镜，天文望远镜采用的就是开普勒式望远镜。现在的折射望远镜还是这两种形式。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。接下来的一段时间里，折射镜得到不断的改良，制出了许多大口径消色差望远镜。然而，折射镜总是有残余的色差，对紫外、红外波段的辐射吸收很厉害，大块完整的玻璃难以铸造，重力容易使大尺寸透镜产生形变，折射镜有着许多的不足。

反射望远镜

1668年，牛顿（Newton，I．1642~1727）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°角的反射镜，使经主镜反射后的会聚光经反射镜以90°角反射出镜筒后到达目镜，制成了反射望远镜。往后的几百年间，人们提出了反射镜的多种设计方案。1918年末，口径为254厘米的胡克望远镜（Hookertelescope）投入使用，它第一次揭示了银河系的真实大小和人类在其中所处的位置，更为重要的是，哈勃(Hubble，E．P．1889~1953)的宇宙膨胀理论就是用胡克望远镜观测的结果。相对于折射镜，反射镜没有色差，容易制作；但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。

随后又出现了能兼顾折射和反射两种望远镜优点的折反射式望远镜，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。

自七十年代以来，在望远镜的制造方面有了许多新技术，涉及光学、力学、计算机、自动控制和精密机械等领域，使望远镜的制造突破了镜面口径的局限。

空间望远镜

哈勃空间望远镜（HST）

然而，由于地球大气对电磁波的吸收作用，地面观测具有严重的局限性。物理学在不断地发展，直到人造卫星上天，航天技术逐渐成熟，空间天文学才兴起。

1990年4月24日，由美国国家航空与航天局（NASA）和欧洲空间局（ESRO）联合研制的哈勃空间望远镜（HST）的发射成功，是天文学走向空间时代的一个里程碑。空间观测与地面观测相比，有极大的优势：没有了大气层的干扰，恒星不再闪烁。分辨率比起地面的大型望远镜提高了几十倍。灵敏度的提高，使可观测的天体迅速增加。空间没有重力，仪器就不会因自重而变形。频率覆盖范围也大大地变宽，全波段天文观测成为可能，对于光学望远镜，可以接收到宽得多的波段。就哈勃空间望远镜而言，主望远镜是口径为2.4米的反射望远镜，还携带了广角行星照相机，暗弱天体照相机，暗弱天体光谱仪，高分辨率光谱仪，高速光度计，成象光谱仪，近红外照相机，多目标摄谱仪，高级普查摄像仪，高新巡天照相机等精密仪器，观测范围早已突破了可见光波段，向红外和紫外两端延伸。其功能之强大，在天文学的许多领域中作出了巨大的贡献，如：银河系中心、双星系统、近邻星系、宇宙早期星系、黑洞、可能行星系统的存在研究，哈勃常量H0的测定等等。

在望远镜的庞大家族里，除了以上介绍的光学望远镜以外，还有射电望远镜（radiotelescope）、红外望远镜（infraredtelescope）、紫外望远镜（ultraviolettelescope）、X射线望远镜（X-raytelescope）和γ射线望远镜（gammaraytelescope）。凭借着物理学的不断发展，多种望远镜被制造出来，越来越精密，推动着天文学和物理学不断向前发展，人类的视野也变得更深更广。

光学望远镜种类与用途

光学望远镜分为折射式望远镜、反射式望远镜、施密特望远镜。19世纪初斯折射式望远镜还是天文学界的主流，当时研究的重点在天体测量，邻近恒星的位置测定。随着时代的演变，天文学家开始探索到银河系以外的星系，研究整个宇宙的结构，巨无霸的大型反射望远镜便取代折射式望远镜的地位。而施密特望远镜更拍摄到许多深远微暗的天体照片，让天文学家能按图索骥地去研究探索数10亿光年之遥的宇宙深处。所以20世纪是反射式望远镜与施密特望远镜的时代，而21世纪更将是无线电电波望远镜的时代。

19世纪天文望远镜主流──折射式德国汉堡大学80厘米折射镜。

20世纪统一天文学语言的施密特望远镜，这是澳洲的UKST。

20世纪天文望远镜主流──反射式，这是德国蔡司的3.5口径反射望远镜。

光学望远镜著名大型光学望远镜

胡克望远镜(Hooker)

1917年，胡克望远镜在加州威尔逊山天文台建成。其主反射镜直径为2.54米，在其建成后30年，它一直是全世界最大的天文望远镜。正是利用这座望远镜，埃德温·哈勃发现了银河系外的星系，并找到了宇宙膨胀的证据。

海尔望远镜(Hale)

直径5.08米的海尔反射式望远镜坐落在美国帕洛玛山上。它于上世纪三四十年代建造，1948年完成，建造技术在当时堪称奇迹。虽然从1993年以后，海尔作为最大反射式光学望远镜的地位已被取代，但仍在为宇宙探索发挥重要作用。

凯克望远镜(Keck)

凯克望远镜

目前世界上最大的光学天文望远镜，位于夏威夷莫纳克亚山。其双子KeckI和KeckII分别在1993年和1996年建成。直径都是10米，由36块直径1.8米的六角镜面拼接组成。通过电脑控制的主动光学支撑系统调节，使镜面保持极高的精度。

超大望远镜(VLT)

1999年，欧洲南方天文台在智利建造了超大望远镜。它是由4台8米直径望远镜组成的一台等效直径达到16米的光学望远镜。这4台望远镜可以组成一个干涉阵，做两两干涉观测，也可以单独使用每一台望远镜。它可以在不同波段观测超新星等遥远天体。

昴星团望远镜(SUBARU)

日本的昴星团望远镜是目前世界上最大直径的单面反射镜，其直径达8.3米。坐落在夏威夷莫纳克亚山上，建造完成于1999年。据称，仅仅是抛光其超大镜面就花去了7年时间。昴星团望远镜使用了主动光学和自适应光学技术，支持镜面的是261个机械手指，它们可以不断调整镜面的形状以获得最佳成像。

光学望远镜哈勃望远镜

哈勃望远镜

哈勃望远镜长13.3米，直径4.3米，重11.6吨，造价近30亿美元，于1990年4月25日由美国航天飞机送上高590千米的太空轨道。哈勃望远镜以时速2.8万千米沿寂静的太空轨道运行，默默地窥探着太空的秘密。

它上面的广角行星相机可拍摄到几十到上百个恒星照片，其清晰度是地面天文望远镜的10倍以上，其观测能力等于从华盛顿看到1.6万千米外悉尼的一只萤火虫。

1999年4月，利用哈勃望远镜拍摄的深空图像，美国纽约州立大学斯托尼布鲁克分校的研究人员发现了宇宙边缘附近有一个距离地球130亿光年的古老星系，这是迄今为止人类所发现的最遥远的天体；利用全新的近红外仪器，透过茫茫的星际，人们发现了“皮斯托”星，这是至今发现的最大的一个天体。利用哈勃望远镜的宽视场和行星摄像机，科学家获取了第一张伽玛射线爆发的光学照片；哈勃望远镜上的超级摄谱仪又向人们揭示了超新星的化学成分。

哈勃望远镜所收集的图像和信息，经人造卫星和地面数据传输网络，最后到达美国的太空望远镜科学研究中心。利用这些极其珍贵的太空图像和宇宙资料，科学家们取得了一系列突破性的成就。沉寂多年的天文学领域，正发生着天翻地覆的变化。

哈勃望远镜预计2010年“退休”。21世纪的太空望远镜研制计划正紧锣密鼓地在全世界范围内展开。21世纪初叶，将有数台大型天文观测设备送入外层空间，这将是继哈勃望远镜取得的辉煌成就之后的，人类探测太空的又一次大手笔。

光学望远镜新“哈勃望远镜”

新一代太空望远镜模型亮相

美国正在积极筹划研制新一代太空望远镜，旨在接替目前还在轨道运行的哈勃望远镜。新一代望远镜主镜为口径达7.5米，其观察范围比“哈勃”大4～6倍，清晰度却不亚于“哈勃”。新一代望远镜计划2003年开始制造，重量预定3000千克，而“哈勃”重达10000千克。制造这么大而又这么轻的镜片，要求在材料上有巨大的突破和进展。

“哈勃”在对宇宙形成初期进行探测时留下了1亿年到10亿年之间空白，新一代望远镜将填补这段空白，研究宇宙的甚早期，观察诸星系形成时期的情况。“哈勃”专门用紫外线和可见光中的短波来观测宇宙，而新一代望远镜则用电磁光谱中波长较长的红外线部分来深入探索宇宙。因为宇宙在扩张的过程中诸星系远离地球向外运动，它们的光变成波长较长的红光，以红外线的形式传到地球上。

新一代望远镜不像“哈勃”那样绕地球轨道，而是将稳定地占据地球与太阳之间、月球以外约150万公里的一条轨道。

光学望远镜地外行星搜寻者

地外行星搜寻者模型

“地外行星搜寻者”是美国宇航局空间计划的“点睛”之笔，计划于2012年发射升空。它汇集了人类太空望远镜技术的精华，将在寻找太空生命方面崭露头角。“地外行星搜寻者”的设计思路与空间干涉望远镜相似，但在规模与性能上有重大突破。空间干涉望远镜的可收卷镜阵延伸9米上下，而“地外行星搜寻者”的镜面阵列延展可达百米。利用它空前的分辨率，人们将足以探明，在太阳系邻近数十光年之内，是否存在与地球条件相似的行星，并进一步为解开地外生命的“悬念”获取宝贵的线索。

总之，21世纪的“天眼”，将具备前所未有的高灵敏度、高分辨率、大视场以及多天体观测能力。就整体而言，它们观测宇宙的效能将全面超越其“老大哥”----哈勃太空望远镜，从而全方位地开阔人类探测宇宙的视界。

长久以来，人们仰望天空，看见日月星辰东升西落，有过天圆地方、地心说、日心说等宇宙模型。从前，人们只能用肉眼对星空进行观察，观测范围非常局限，所得的数据资料也就非常有限。

光学望远镜中国最大光学望远镜

LAMOST

完全由中国自主发明的新型大视场望远镜———大天区面积光纤光谱天文望远镜（LAMOST）在位于河北省兴隆县的国家天文台兴隆观测基地落成。这标志着中国第一次在望远镜类型上占有一席之地。

在技术上，LAMOST在其反射施密特改正镜上同时采用了薄镜面主动光学和拼接镜面主动光学技术，突破了世界上光学望远镜大视场不能同时兼备大口径的瓶颈，使中国主动光学技术处于国际领先地位。它采用的并行可控式光纤定位技术解决了同时精确定位4000个观测目标的难题，是一项国际领先的技术创新。

该望远镜的各项指标均已达到甚至超过设计要求，在调试过程中单次观测可同时获得3000多条天体光谱的能力，已成为中国最大的光学望远镜、世界上最大口径的大视场望远镜，也是世界上光谱获取率最高的望远镜。

大量天体光学光谱的获取是大视场、大样本天文学研究的关键。但迄今由成像巡天记录下来的数以百亿计的各类天体中，只有约万分之一进行过光谱观测。LAMOST将突破天文研究中光谱观测的这一瓶颈，对上千万个星系、类星体等河外天体的光谱巡天，将在河外天体物理和宇宙学研究以及河内天体物理和银河系研究上作出重大贡献。

中科院常务副院长、LAMOST工程项目领导小组负责人白春礼在的落成典礼上说，LAMOST的建成和投入观测，将使中国具备世界领先的主动光学技术和多目标光谱观测能力；将为中国天文学研究增添高水平的观测设施和平台；将为中国在宇宙大尺度结构、银河系结构、暗能量等相关领域的研究提供必要的条件和技术支撑。