天文光学望远镜
出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第444页（4297字）
望远镜是观测远处物体的仪器。
光学望远镜是接收辐射波长介于0．3～30μm的天文望远镜(通常把专为1～30μm波段设计的带摆动副镜的自身热辐射很小的望远镜叫作红外望远镜)。天文光学望远镜的主要作用有二：一为聚集尽可能多的来自待测天体的光能；一为提高对天体细节的分辨能力。典型的天文望远镜由3部分组成：镜筒、镜架和电控驱动系统。镜筒的作用是保护和固定物镜及其它光学元件，使它们形成精密可靠的光学系统；镜架起支承镜筒并提供指向和跟踪目标所需的机械结构，是一个巨大的精密钟表机械；电控驱动系统使望远镜能够在两个互相垂直的方向上作各种不同速度的运动，并可按命令自动定位和自动跟踪目标，包括改正各种误差。
望远镜的光学系统有只用透镜的折射型、只用反射镜的反射型和两种镜子都用的折反射型。第1架天文光学望远镜是伽利略(Galileo)在1609年创制的，是在镜筒的前端放一组较大的聚光透镜(物镜)，在镜筒的后端位于物镜的焦点内少许放一块较小的负透镜作(接)目镜组成。通过望远镜看到的像是天空的正像。为了提高放大倍率(物镜焦距与目镜焦距之比)，并便于在物镜焦面上加装测微十字丝以精确测定天体的位置和角距离，开普勒(Kepler)把目镜改为放在物镜焦点外少许的正透镜而成倒像。
由于质量优良的大块玻璃很难制造，折射望远镜的最大直径是1．02m，即美国耶凯士(Yerks)天文台的大折射望远镜。常规意义上的折反射型有两种：在球面主镜之球心有一块薄非球面改正板的施米特(Schmidt)型和在焦点外不远处加厚弯月形改正镜的马克苏托夫(Makeytob)型。前者是施米特在1930年发明的，它的视场大(通常约5度)而像质好，得到了较大的发展，其直径最大的为德国的134／200／400，以及对近代天文学作出重大贡献的英国安放在澳大利亚赛丁泉(Siding Spring)峰的122／154／305UKSchmidt和美国帕罗马山(Mount Palomar)的122／150／350。后者是马克苏托夫于1940年发明的，直径最大的为俄罗斯阿巴斯图马尼(Abastumany)天文台的70／98／210。
上述两种望远镜都不能作得很大，因而反射望远镜成为最普遍的天文光学望远镜。它是由格雷果里(Gregory)于1663年提出的。它的物镜通常用真空镀铝的凹旋转二次曲面玻璃反射镜(初期直接用抛光了的铜锡合金，1850年后改用化学镀银的玻璃镜面)。有几种不同的焦点：直接使用大凹反射镜(主镜)焦点的主焦点；在主焦点前加一块与光轴成45度角的平面镜，把焦面引到镜筒外侧以便于观测的牛顿(Newton)焦点(牛顿1672年发明了抛光铜锡合金的方法，造出了第一架反射望远镜，就是用的这种焦点)；在主焦点之前加小凸反射镜(副镜)得到的合成于主镜背后的卡塞格林(Cassegrain，1672年发明)焦点；在此二反射镜之间和镜筒与镜身连接轴与光轴交点处加一块45度平面镜，而获得位于镜身之外的耐卡焦点和用1～5块平面镜把光线引到一个不随望远镜转动的折轴焦点。现代大型光学望远镜一般都具有这些焦点。焦距与直径的比为焦比。主焦点的焦距最短，焦比一般小于3，且为了减轻望远镜的重量与造价，焦比也越来越小，尤其是直径越来越大的下一代大望远镜。由于像质优良的视场很小(若主镜为抛物面，像斑由彗差限制的小于0．5S的视场为F2／11(′))或零(若主镜为球面或双曲面)，因而必须加像差改正器。通常为一组透镜，因而也可看作折反射型，只是直径比主镜小得多。该焦点的焦比最适合于光纤引光，从而像场改正器越作越好，视场也越来越大，直到2度。由于主焦点位于镜筒中间而不便于接近，因此在自动控制不够成熟的时代，只有直径大到允许加载人主焦笼而不引入过大的光损失时才用主焦点，否则用牛顿焦点。卡塞格林焦点的焦比早期约为13～18，主镜为抛物面，副镜为双曲面，可用视场受限于彗差而为F2／11(′)。
60年代鲍恩(Bowen)认为，对照相来说，焦比在8左右最好，且宜改为里奇克里基安(主、副镜均为双曲面)光学系统。因为它是消彗差的，虽然一般也要加像差改正器以获得约1到3度的视场，但与经典卡焦相比，改正器要容易作些，且不加改正时的可用视场也要大些。折轴焦点的好处是固定不动，因而可以放置大而重的光分析仪器，且可以保持温度恒定，但焦距很长而视场不能大。由于卡焦与折焦的焦比相差很大，彼此转换时要换用不同的副镜，很麻烦。
为此，60年代美国国立天文台的2．13m镜首次使用把两块副镜背靠背地安放在同一转盘的两边，以借翻转此盘来更换副镜；苏定强等采用了在极轴中另加一块再成像扁球镜的方法，更换焦点时只须在镜筒中加入一块45度平面镜就可以了。
光学系统设计中的主要问题，是如何用最少的光学元件、最简单的结构、最容易的加工工艺和最普通的材料去获得足够大的像质优良的视场，并满足一些其它的使用要求。
目前直径大于3．0m的光学望远镜有17架，最大的是美国1993年建成的9．82m望远镜，其次是前苏联1970美国1948年建成的6．10m望远镜。安装在夏威夷高4200m的莫纳基峰上的9．82m Keck望远镜的物镜，是由36块1．8m的六边形小反射镜拼合成的，在全部竣工之后还建了一台并组成干涉阵。
欧洲南天天文台正在研制4台直径8m的望远镜，并计划把它们组合成一架等效直径为16m的大望远镜，叫作甚大望远镜。欧美各国还在计划建立几架8m级的大望远镜，日本也要在夏威夷造1台8m镜。镜架可分为赤道式和地平式两大类。中国古代发明的赤道式，对中小望远镜非常合理，因为在一般的工作要求下它只要绕赤经轴作每天一周的匀速运动就行了。
但是这种装置的重力负荷对转动轴是不对称的，必须添加无其它用途的平衡重从而增加总重和造价。此外，赤道式的主轴必须与地球的自转轴平行，因而对不同的地理纬度镜架的结构亦不同。对高纬度多用圆盘叉式或其变种；低纬度多用双柱扼式；在中纬度地方可根据望远镜的大小和用途而选用双柱(英国)式、单臂德国式、叉式及其变种马蹄式。
地平式的主轴直指天顶，因而不随纬度而变。
地平式镜架在补尝地球自转而跟踪天体时，必须同时绕水平轴和垂直轴作变速运动，这在没有可靠的电子计算机时代是很难使用的。80年代以后，大型望远镜全用地平式。
望远镜的电控系统越来越现代化，可使观测者坐在与望远镜完全隔离的控制室内的控制台前，一边监视仪表，一边操作按键来完成预定计划进行的观测。在欧洲南方天文台和英国爱丁堡天文台已实现了用卫星通讯进行远距离遥控观测。
望远镜的两根转轴上均安装有高精度轴角编码器，在计算机的控制下可使指向目标的精度达到1(″)、跟踪精度达到0．1(″)。一些全自动化望远镜和空间望远镜，更是充分地利用了遥测遥控的一切先进成果。
为了观测越来越遥远而暗弱的天体，望远镜作得越来越大，传统技术已不现实。新的技术层出不穷。
主要有：(1)用尽可能薄而焦比小的镜面以减轻重量，为此要用主动光学技术补偿镜面所受的重力形变而保持优良的光学质量；或用小镜面拼成大镜面以减轻重量(如Keck9．82m)；或用几个小镜筒架在同一台镜架上构成一架短而粗的大望远镜(如美国1975年在霍普金斯山建成的多镜面望远镜，用6个直径1．8m的小镜筒组成一架等效直径4．5m的望远镜)；或用几架独立的望远镜合成一架等效大望远镜(如欧洲南天天文台的甚大望远镜将用四架8m望远镜合成一架16m望远镜)。(2)用地平式镜架加坐标变换以减轻重量(3)用斑迹干涉和自适应光学克服大气湍流的不利影响以获得光学衍射分辨极限能力。
(4)用长基线光学干涉法获得毫角秒级及亚毫角秒级的角分辨率。
(5)发展光学综合孔径成图以同时获得大的聚光面积、适当大的视场和极高的角分辨率。(6)发展高光效镀膜技术以减少系统的光损失(60年代加拿大的理查逊在设计一架1．2m镜的折轴系统时首次采用高反射膜层)。(7)发展大气外空间轨道天文台和月球天文台以免除地球大气的吸收和干扰，如1983年发射的IRAS(红外天文卫星)和正在太空运行的美国的2．4m哈勃空间望远镜。(8)研究新的轻质高强低涨大块镜坯浇铸和精密面形加工方法。
光学望远镜是十分精密、昂贵但易损的大型仪器，必须有专门设计的既能起保护作用又方便望远镜观测不同方位天体的观测室。赤道式望远镜的观测室，多为带可启闭天窗的半球形旋转屋顶建筑，叫作圆顶。它的高度取决于当地地表湍流元上升的高度，直径取决于望远镜的大小和镜身的种类，顶部及柱墙均采用带空气夹层的双层结构且选用隔热性能优良的材料，其表面还必须涂反光白漆，必要时还要加装强力鼓风器以使室内气温低于或等于室外气温，以保证不破坏当地的自然大气宁静度。此外，圆顶上还必须有能起吊足够重量的吊车供安装及平时使用，以及真空镀膜机和其它一些专用设备。近年来，观测室的形状已大有变化，方顶和全开放式均有，为的是改善视宁度和降低造价。
。【参考文献】：1 King C H. The History of the Telescopes. Dover Publ. Inc, 1955
2 Crawford D L ed. The Construction of Large Telescopes. D. Reidel Publ Co,Dordrecht,Holland, 1967
3 Robinson L B ed. Instrumentation for Ground Based Optical Astronomy. Springer -Verlag New york Inc,1988
4 Kogure T,Tokunaga A T ed. The Proc of the International Symp on Large Telescopes,1988～1989
(北京天文台蒋世仰研究员、潘君骅撰；路声东审)