光學望遠鏡

光學望遠鏡，是用於收集可見光的一種望遠鏡

基本介紹

• 中文名：光學望遠鏡
• 種類：折射式望遠鏡、反射
• 用途：天體測量
• 著名型號：胡克望遠鏡

儀器簡介

光學望遠鏡，使用人眼可見光形成恆星和星系的像的望遠鏡，是用於收集可見光的一種望遠鏡，並且經由聚焦光線，可以直接放大影像、進行目視觀測或者攝影等等，特別是指用於觀察夜空，固定在架台上的單筒望遠鏡，也包括手持的雙筒鏡和其他用途的望遠鏡。

種類與用途

光學望遠鏡分為折射式望遠鏡、反射式望遠鏡、施密特望遠鏡。19世紀初期折射式望遠鏡還是天文學界的主流，當時研究的重點在天體測量，鄰近恆星的位置測定。隨著時代的演變，天文學家開始探索到銀河系以外的星系，研究整個宇宙的結構，巨無霸的大型反射望遠鏡便取代折射式望遠鏡的地位。

光學望遠鏡

而施密特望遠鏡更拍攝到許多深遠微暗的天體照片，讓天文學家能按圖索驥地去研究探索數10億光年之遙的宇宙深處。所以20世紀是反射式望遠鏡與施密特望遠鏡的時代，而21世紀更將是無線電電波望遠鏡的時代。

19世紀天文望遠鏡主流──折射式德國漢堡大學80厘米折射鏡。

20世紀統一天文學語言的施密特望遠鏡，這是澳洲的UKST。

20世紀天文望遠鏡主流──反射式，這是德國蔡司的3.5口徑反射望遠鏡。

著名型號

胡克望遠鏡

1917年，胡克望遠鏡在加州威爾遜山天文台建成。其主反射鏡直徑為2.54米，在其建成後30年，它一直是全世界最大的天文望遠鏡。正是利用這座望遠鏡，埃德溫·哈勃發現了銀河系外的星系，並找到了宇宙膨脹的證據。

光學望遠鏡

海爾望遠鏡

直徑5.08米的海爾反射式望遠鏡坐落在美國帕洛瑪山上。它於上世紀三四十年代建造，1948年完成，建造技術在當時堪稱奇蹟。雖然從1993年以後，海爾作為最大反射式光學望遠鏡的地位已被取代，但仍在為宇宙探索發揮重要作用。

凱克望遠鏡

目前世界上最大的光學天文望遠鏡，位於夏威夷莫納克亞山。其雙子KeckI和KeckII分別在1993年和1996年建成。直徑都是10米，由36塊直徑1.8米的六角鏡面拼接組成。通過電腦控制的主動光學支撐系統調節，使鏡面保持極高的精度。

凱克望遠鏡

超大望遠鏡

1999年，歐洲南方天文台在智利建造了超大望遠鏡。它是由4台8米直徑望遠鏡組成的一台等效直徑達到16米的光學望遠鏡。這4台望遠鏡可以組成一個干涉陣，做兩兩干涉觀測，也可以單獨使用每一台望遠鏡。它可以在不同波段觀測超新星等遙遠天體。

昴星團望遠鏡

日本的昴星團望遠鏡是目前世界上最大直徑的單面反射鏡，其直徑達8.3米。坐落在夏威夷莫納克亞山上，建造完成於1999年。據稱，僅僅是拋光其超大鏡面就花去了7年時間。昴星團望遠鏡使用了主動光學和自適應光學技術，支持鏡面的是261個機械手指，它們可以不斷調整鏡面的形狀以獲得最佳成像。

行星搜尋

“地外行星搜尋者”是美國宇航局空間計畫的“點睛”之筆，計畫於2012年發射升空。它匯集了人類太空望遠鏡 技術的精華，將在尋找太空生命方面嶄露頭角。“地外行星搜尋者”的設計思路與空間干涉望遠鏡相似，但在規模與性能上有重大突破。空間干涉望遠鏡的可收卷鏡陣延伸9米上下，而“地外行星搜尋者”的鏡面陣列延展可達百米。利用它空前的解析度，人們將足以探明，在太陽系鄰近數十光年之內，是否存在與地球條件相似的行星，並進一步為解開地外生命的“懸念”獲取寶貴的線索。

地外行星搜尋者模型

總之，21世紀的“天眼”，將具備前所未有的高靈敏度、高解析度、大視場以及多天體觀測能力。就整體而言，它們觀測宇宙的效能將全面超越其“老大哥”，哈勃太空望遠鏡，從而全方位地開闊人類探測宇宙的視界。長久以來，人們仰望天空，看見日月星辰東升西落，有過天圓地方、地心說、日心說等宇宙模型。從前，人們只能用肉眼對星空進行觀察，觀測範圍非常局限，所得的數據資料也就非常有限。

工作原理

關於反射、折射和折反射望遠鏡具體設計和詳細的資料，請參閱反射望遠鏡、折射望遠鏡和折反射望遠鏡條目

設計圖中最基本的元素是收集光線的物鏡（透鏡（1）或凹面鏡）、在一段距離外的物體（4）在焦平面上形成一個實像（5）。這個影像可以被記錄或經過作用如同放大鏡的目鏡（2），讓眼睛（3）可以看見遠處被放大的虛像（6）。

刻卜勒式望遠鏡的簡圖。

使用兩個凸透鏡成像的望遠鏡產生的影像是倒置的，觀賞地面景物的望遠鏡和雙筒望遠鏡使用稜鏡（一般為普羅稜鏡）或是在物鏡和目鏡之間再安裝一個或更多的透鏡將影像轉正，這樣就能看見正立像。

許多形式的望遠鏡會使用次鏡（副鏡）甚至第三個鏡片來摺疊光路，這些也許是光學設計的整體部分（卡塞格林反射鏡和其他類似），但也有望遠鏡以更簡潔的方法和在更方便的位置上安置目鏡或探測器使用。在大型望遠鏡上，這些附加的鏡片通常是為了提供更大的視野或是改善影像的品質。

角解析度

忽略大氣擾動（視寧度或稱視象度）對影像品質的影響和光學望遠鏡的缺點，一架光學望遠鏡的角解析度取決於物鏡，也就是望遠鏡口徑大小。

實際上，口徑越大，角解析度就越好。此處要特彆強調的是，角解析度不是為望遠鏡的最大放大率（或倍率）所提供的，經銷商所提供的最大倍數是望遠鏡倍率的上限值，由於超越了物鏡能力範圍的最大倍率與角解析度，不能把影像變得更清楚，通常得到的影像品質也是最差的。

對大型的固定地基望遠鏡，角解析度的極限是由視象度決定，現今發展之望遠鏡安置在大氣層之上，來消除空氣對影像擾動影響角解析度，也就是太空望遠鏡、氣球望遠鏡和安裝在飛機上的望遠鏡（古柏機載天文台、同溫層紅外線天文台（SOFIA）或將地基望遠鏡加裝調適光學和斑點成像。）

近來，光學望遠鏡的綜合口徑陣列變得更實用，經由空間中一組小口徑望遠鏡組合，在小心操控的光學平面連結下，可以獲得更高的解析度。但是這些干涉儀仍只能用於觀測明亮天體，像是恆星或是活躍星系核，例如參宿四的星斑影像可以在此看見。

焦長和焦比

焦距決定瞭望遠鏡在配上目鏡、一定大小的CCD或普通底片後可能觀看的視野大小。望遠鏡的焦比（焦距比或f數，即攝影術語之“光圈”）是焦長和物鏡口徑（直徑）比值。因此當口徑（集光力）不變時，焦比低的視野較大。廣角望遠鏡（像是天體照相儀）用來追蹤衛星和小行星，或是從事宇宙射線的研究和巡天觀測。低焦比望遠鏡的像差比高焦比的更難以消除。

集光力

一架望遠鏡的集光力直接與物鏡（透鏡或鏡片）的直徑（即口徑）有關。要注意圓面積與半徑的平方成正比，因此當望遠鏡的鏡片直徑增加三倍時，集光力會增加九倍，口徑越大收集的光線越多；另外靈敏度高的影像設備（如CCD）能在較少的光量下獲得比較好的影像品質。

研究用望遠鏡

幾乎所有用於研究的大型天文望遠鏡都是反射鏡，其原因是：

• 在採用透鏡之下，必須整塊鏡片材料皆為沒有缺點和均勻而沒有多相性，而反射鏡只需要將一個表面完美的磨光，磨製相對簡易。
• 除真空環境下，不同顏色的光在穿透介質時會有不同的播速度，這會造成折射鏡特有的色差。
• 大口徑透鏡在製造和操作上都有技術上的困難。其一是所有的材料都會因為重力而下垂，觀測舉得最高而且也是相對較重的透鏡只能在鏡片周圍加以支撐，另一方面，面鏡除了反射面以外，可以在反射面的背面和其他的側邊進行支撐。

光學望遠鏡大小在20世紀穩定的增加，在1910至1940年增加一倍，在1940至1990年又增加一倍。現在最大的望遠鏡是11公尺的SALT和Hobby-Eberly望遠鏡，以及10.4公尺的 Gran Telescopio Canarias。

在1980年代，在技術上作出改進的新一代望遠鏡有了長足的進步，這些進步包括多鏡片望遠鏡，可以控制鏡片的個人電腦，另一個主要的進展是旋轉的熔爐，可以用離心力讓望遠鏡的鏡片在融爐中就接近要磨製的形狀（曲率半徑）。

其他形式

• 雙筒望遠鏡是將兩架單筒望遠鏡肩並肩的組合在一起，而能同時使用的望遠鏡。這種望遠鏡最主要的實用優點不是放大，而是在黎明或薄暮時有明亮的視場。與指南針結合在一起的單筒或雙筒望遠鏡，在軍隊的炮兵單位和船艦會用於三角測量與地形（海岸）特徵的導航上。手持的望遠鏡不會受到手震影響的極限是七倍，因此要有明亮的視場和最佳倍數的雙筒望遠鏡是7×50的規格。

由於雙筒望遠鏡有視場較廣，較明亮且容易操作、較專業望遠鏡便宜等原因，成為天文愛好者平時學習觀測的常用器材，而較大口徑的雙筒望遠鏡更成為了一些天文愛好者成功尋得新彗星的重要器材；另外亦有天文愛好者嘗試把兩具同一口徑的反射望遠鏡組裝成雙筒望遠鏡。

自主研發

完全由中國自主發明的新型大視場望遠鏡———大天區面積光纖光譜天文望遠鏡（LAMOST）在位於河北省興隆縣的國家天文台興隆觀測基地落成。這標誌著中國第一次在望遠鏡類型上占有一席之地。

在技術上，LAMOST在其反射施密特改正鏡上同時採用了薄鏡面主動光學和拼接鏡面主動光學技術，突破了世界上光學望遠鏡大視場不能同時兼備大口徑的瓶頸，使中國主動光學技術處於國際領先地位。它採用的並行可控式光纖定位技術解決了同時精確定位4000個觀測目標的難題，是一項國際領先的技術創新。

該望遠鏡的各項指標均已達到甚至超過設計要求，在調試過程中單次觀測可同時獲得3000多條天體光譜的能力，已成為中國最大的光學望遠鏡、世界上最大口徑的大視場望遠鏡，也是世界上光譜獲取率最高的望遠鏡。大量天體光學光譜的獲取是大視場、大樣本天文學研究的關鍵。但迄今由成像巡天記錄下來的數以百億計的各類天體中，只有約萬分之一進行過光譜觀測。LAMOST將突破天文研究中光譜觀測的這一瓶頸，對上千萬個星系、類星體等河外天體的光譜巡天，將在河外天體物理和宇宙學研究以及河內天體物理和銀河系研究上作出重大貢獻。中科院常務副院長、LAMOST工程項目領導小組負責人白春禮在的落成典禮上說，LAMOST的建成和投入觀測，將使中國具備世界領先的主動光學技術和多目標光譜觀測能力；將為中國天文學研究增添高水平的觀測設施和平台；將為中國在宇宙大尺度結構、銀河繫結構、暗能量等相關領域的研究提供必要的條件和技術支撐。

技術突破

LAMOST中最具創新的部分是24塊對角線1.1米的六角形平面子鏡拼接成的反射施密特改正鏡，觀測過程中通過計算機控制這些子鏡面形，使其實時變形成一系列不同的高精度的非球面，從而實現傳統光學無法實現的這種世界上獨一無二的大視場（廣角）兼備大口徑的主動反射施密特光學系統，以便精確地獲取大量的天體光譜信息。我們在一塊大反射鏡上同時採用了薄鏡面主動光學和拼接鏡面主動光學技術，這不僅是在國際上將主動光學技術推進到新的前沿，也是在國際上發展出了第三種新類型的主動光學。我們還採用了並行可控式光纖定位技術解決了同時精確定位4000個觀測目標的難題，遠超過目前國際上最多同時定位600多根光纖。這都是國際領先的技術創新。

由中國科學家創造性設計和建造的這座望遠鏡，在口徑、視場和光纖數目三者的結合上，超過了此前雄居世界第一的大視場巡天儀器——美國斯隆數字巡天望遠鏡，也一舉超過了所有國際上已完成或正在進行的大視場多天體光纖光譜巡天計畫，成為當今世界上獲取天體光譜能力最強大的天文觀測設備。

落成選址

美加兩國科學家7月21日宣布，建成後將成為世界最大光學望遠鏡的30m口徑望遠鏡（TMT）確定在夏威夷的莫納克亞山山頂建造。TMT將由美國加州理工學院、加州大學和加拿大大學天文學研究協會組成的聯盟聯合建造，預計2011年動工。TMT預計耗資10億美元．聯盟目前已收到的資助和承諾的資助共3億美元．還不到計畫中的1/3。聯盟希望美國政府、私人基金會和國外合作夥伴能夠補足剩餘的資金。