望远镜发明

华南师范大学 光学发展与人类文明 第五单元思维导图，介绍了望远镜的发明、折射望远镜、反射望远镜，欢迎了解。

天文望远镜

• 望远镜的发明
  • 16世纪，汉斯·利帕希和学徒：第一架望远镜
  • 1610年，伽利略集结望远镜观测的新天文发现所发表的著作《星际信使》
  • 科学意义
    • 望远镜的测远观天一近代科学科学方法：实验+理论
• 折射望远镜
  • 基本类型
    • 伽利略型望远镜
      • 凸凹透镜，无中间实像，正立像
    • 开普勒型望远镜
      • 双凸透镜，有中间实像，倒立像
    • 共同点：视觉放大率，均等于物镜和目镜的焦距之比
    • 沙伊尔的正像设计
      • 在开普勒型基础上级联第三片透镜，转正立像
  • 光学原理
    • 物镜：聚物光；目镜：观察成像。
    • 物镜与目镜的共焦，使望远镜可以看到无限远。光线平行出射，由于共焦，可以在视网膜上成像。
    • 物镜口径越大，接受的物光越多，成像越清晰
  • 像差困扰
    • 球差
      • 像点的位置是透镜孔径r的函数
      • 条件：无限远物点发射的、单一颜色或波长的光，物点与像点无法一一对应。
      • 解决方法：使用表面弯曲程度较小的长焦距透镜，当平行光入射时，经物镜不同口径的入射光线所产生的偏折较小，汇聚点位置更加接近
      • 约翰·多朗德家族：凹凸双合透镜组
    • 色差
      • 玻璃对各单色光的折射能力不同，存在色散。经过透镜折射后，各单色光的会聚位置不同
      • 条件：无限远物点发射的白光入射
      • 消色差复合透镜
        • 关键：凹透镜的色散本领比凸透镜的大
          • 凸透镜对蓝光的会聚偏折角大于红光，凹透镜的色散本领更大，蓝光的发散偏折角远大于红光
          • 通过合理设计：凹透镜对色光的发散足以抵消凸透镜造成的色差，最终各色光的出射角度方向接近
        • 凸凹复合透镜，暑牌玻璃的凸透镜，火石玻璃的凹透镜
          • 发明者：切斯特·穆尔·霍尔
          • 推广：约翰·多朗德家族 - 两片型、三片型
  • 相关应用及意义
    • 17世纪中叶，长镜身折射镜时代
      • 克里斯蒂安·惠更斯：37米县空望远镜
      • 约翰内斯·赫维留：46米望远境
    • 19世纪，折射望远镜的天文学应用巅峰时期
    • 意义
      • 人类借助望远镜重新定义了我们在宇宙中的位置，认识到了不仅地球不是宇宙的中心，太阳也不是银河系的中心。
• 反射望远镜
  • 典型设计
    • 牛顿的反射型望远镜
      • 第一架：长15cm，主物镜口径约2.5cm，物像放大40倍
      • 第二架：长16cm，主物镜口径为5cm
      • 主副镜组合的“折轴”物镜系统
        • 平面副镜、凹面主镜
        • 副镜只挡住小部分入射光
    • 尼科洛·祖奇的反射望远镜
      • 观察者遮挡入射光
    • 格力高式望远镜
      • 改进思路：建模计算
      • 消色差：反射镜一透镜
      • 消球差：镜片形状（球面一抛物面主镜+球面副镜）
    • 卡塞格林式望远镜
      • 副镜：位于主精交点之前的凸面镜
      • 优点：利用凸面镜的发散特性消球差，镜筒设计更紧凑
• 反射望镜vs折射望远镜
  • 金属反射镜缺点
    • 低反射率、表面易氧化，需经常抛光
    • 大尺寸镜面易发生形变
  • 折射望远镜缺点
    • 大尺寸、完美折射透镜的制备难度高
  • 威廉·赫歇尔三架代表性望远镜
    • 口径15cm，焦距2cm
      • 发现天王星
    • 口径45cm，焦距6m
      • 20年星云观测，发现天王星的二卫星
    • 口径1.22m，焦距12.2m
      • 发现士星的第6、7颗卫星
      • 18世纪之最