天文望远镜的基本知识复习课程.ppt

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1、天文天文(tinwn)望望远镜的基本知远镜的基本知识识第一页，共56页。天文(tinwn)望远镜的发展历史及基础知识第二页，共56页。天文学是一门古老的学科，在人类的文明史中占有重要的地位。观天文学是一门古老的学科，在人类的文明史中占有重要的地位。观测是天文学实验方法测是天文学实验方法(fngf)的基本特点，不断地创造和改革观的基本特点，不断地创造和改革观测手段，是天文学家致力不懈的课题。测手段，是天文学家致力不懈的课题。第三页，共56页。北京(bi jn)古观象台第四页，共56页。浑仪(hny)第五页，共56页。简仪(jin y)第六页，共56页。第第谷谷在在观观测测(gunc)第七页，共5

2、6页。意大利物理学家意大利物理学家(w l xu ji)(w l xu ji)伽伽利略（利略（1564-16421564-1642）1608年荷兰的眼镜商年荷兰的眼镜商汉斯汉斯.里帕席根据学里帕席根据学徒的偶然发现，制成徒的偶然发现，制成了第一架望远镜。了第一架望远镜。1609年，伽利略制成年，伽利略制成了两架最早的天文望了两架最早的天文望远镜远镜，发现了望远镜，发现了望远镜具有具有“增加聚光本领增加聚光本领和放大视角和放大视角(shjio)”的作用。的作用。第八页，共56页。伽利略把自制的口径伽利略把自制的口径4.54.5厘米，厘米，放大倍率放大倍率3333倍的望远镜指向倍的望远镜指向天空，

3、很快发现天空，很快发现(fxin)(fxin)了了月球上的环形山、围绕木星月球上的环形山、围绕木星运转的四颗卫星、金星的盈运转的四颗卫星、金星的盈亏现象、日面上的黑子、银亏现象、日面上的黑子、银河由无数暗弱恒星构成等现河由无数暗弱恒星构成等现象。象。第九页，共56页。开普勒 德国的开普勒（1571-1630）在伽利略制成天文望远镜 后两年，出版(chbn)了光学一书，首次提出了“像差”的概念。并提出了一种新型的望远镜，这种望远镜被称为开普勒式望远镜。第十页，共56页。伽伽利利略略式式：以以凸凸透透镜镜做做物物镜镜，凹凹透透镜镜做做目目镜镜。成成正正像像，制制造造简简单单造造价价低低廉廉，普普通

4、通观观剧剧镜镜多多采采用用这这种种光光学学系系统统。缺缺点点是是视视场场小小、放放大大率率小小、不不能能在在目目镜镜端端加加装装十十字字丝丝。目目前前在在天文天文(tinwn)观测中不采用这种类型的望远镜。观测中不采用这种类型的望远镜。开开普普勒勒式式：以以凸凸透透镜镜做做物物镜镜，凸凸透透镜镜做做目目镜镜。是是将将物物镜镜所所成成的的实实像像用用凹凹透透镜镜组组的的目目镜镜放放大大，获获得得倒倒像像，由由于于其其视视场场大大，在在目目镜镜组组中中可可以以安安装装十十字字丝丝或或动动丝丝，天天文文(tinwn)观测中多采用此种类型的望远镜。观测中多采用此种类型的望远镜。第十一页，共56页。望远

5、镜17世纪望远镜刚出现时，不仅口径较小，而且成像质量相当差。世纪望远镜刚出现时，不仅口径较小，而且成像质量相当差。因为当时的物镜都是单透镜，像差，特别是其中的色差因为当时的物镜都是单透镜，像差，特别是其中的色差(s ch)非常严重，它使观测到的天体不能呈现出清晰的像，而是非常严重，它使观测到的天体不能呈现出清晰的像，而是带五颜六色光圈的像斑。带五颜六色光圈的像斑。这种像差的成因当时尚未弄清楚，但当时人们已经发现，当透这种像差的成因当时尚未弄清楚，但当时人们已经发现，当透镜曲率变小，焦距变长时，色差镜曲率变小，焦距变长时，色差(s ch)就会减小，成像质量就会减小，成像质量就比较好。于是天文学家

6、相继采用长焦距的望远镜。就比较好。于是天文学家相继采用长焦距的望远镜。第十二页，共56页。早期(zoq)折射望远镜1673年，波兰的赫维留（年，波兰的赫维留（1611-1687）制成了一架长达）制成了一架长达46米的米的望远镜，吊在望远镜，吊在30米高的桅杆米高的桅杆(wign)上，要许多人用绳子上，要许多人用绳子拉着它起落升降。拉着它起落升降。第十三页，共56页。色差(s ch)原理1666年，牛顿证明天体的光并非单色光，而是由各种颜色的光混合而成。望远镜的色差是由于透镜(tujng)对不同颜色的光具有不同的折射率而造成。第十四页，共56页。科学(kxu)巨匠牛顿（1642-1727）第十五

7、页，共56页。牛顿(ni dn)反射望远镜为了根本消除色差，牛顿干脆不用光的折射特性，而用反射特性。1668年，他制成了第一架反射望远镜，物镜是凹球面(qimin)金属镜，物镜焦点前装一块和光轴成45 的平面反光镜，将星光反射到镜筒一边，用目镜观察。第十六页，共56页。格里果里反射镜在牛顿之前(zhqin)，英国数学家格里果里（1638-1675）在1663年提出一种反射望远镜的设计方案，以抛物面为主镜，椭球镜面镜为副镜，主镜中央开有圆孔，F1是主镜的焦点暨副镜的一个焦点，光线经副镜会聚后，必聚焦于副镜的另一个焦点F2处。由于主镜副镜都是非球面镜，当时的工艺水平无法磨制，所以格里果里并没有制成

8、这种望远镜。第十七页，共56页。卡塞格林反射镜在牛顿反射镜问世后不久，法国人卡塞格林（1625-1712）在1672年提出了又一种反射望远镜的设计方案，主镜是抛物面镜，副镜是凸双曲面镜，主镜中间开有圆孔，F1是主镜的焦点暨副镜的一个焦点，根据双曲面的光学特性，光线经副镜会聚后，必聚焦(jjio)于副镜的另一个焦点F2处。这种反射镜目前还经常采用。第十八页，共56页。赫歇尔的望远镜1781年年3月月13日，英国日，英国天文学家威廉天文学家威廉.赫歇尔赫歇尔（1738-1822）用他自）用他自制的口径制的口径15厘米的反射厘米的反射镜发现镜发现(fxin)了天王了天王星，把太阳系的尺度扩星，把太阳

9、系的尺度扩大了一倍。大了一倍。发现发现(fxin)了天王星了天王星后，赫歇尔磨制的望远后，赫歇尔磨制的望远镜口径越来越大，他是镜口径越来越大，他是使反射镜大型化的始祖。使反射镜大型化的始祖。第十九页，共56页。1789年赫歇尔制成当时世界上最大的望远镜。口径(kujng)1.22米，焦距12.2米。第二十页，共56页。消色差折射(zhsh)镜的出现牛顿从理论上弄清了色差的成因，但错误的做出折射物镜色差牛顿从理论上弄清了色差的成因，但错误的做出折射物镜色差无法消除的结论。由于牛顿极高的威望，不少人盲从了他的观无法消除的结论。由于牛顿极高的威望，不少人盲从了他的观点点(gundin)。直到。直到1

10、8世纪世纪30年代，英国数学家年代，英国数学家C.M.霍尔发现，霍尔发现，用冕牌玻璃作凸透镜，用火石玻璃作凹透镜，所制成的复合透用冕牌玻璃作凸透镜，用火石玻璃作凹透镜，所制成的复合透镜能消除色差。镜能消除色差。由于消色差折射物镜由于消色差折射物镜(wjng)的制成，人的制成，人们再也不用为减少色们再也不用为减少色差而拼命加长物镜差而拼命加长物镜(wjng)的焦距了。的焦距了。从此后，折射望远镜从此后，折射望远镜的镜筒便大大缩短了。的镜筒便大大缩短了。第二十一页，共56页。大型(dxng)折射望远镜19世纪下半叶是大型折射望远镜的时代，美国(mi u)的光学制造家克拉克父子在1870年以后陆续磨

11、制了口径66厘米、76厘米、91厘米、102厘米的折射镜。第二十二页，共56页。巨型(j xn)反射镜20世纪的上半叶巨型(j xn)反射镜又占了上风。由于磨制材料的改进，用玻璃代替了金属，并发明了玻璃镀银技术，许多大口径反射镜相继建成。1948年口径508厘米的海尔反射望远镜交付使用。第二十三页，共56页。望远镜第二十四页，共56页。最大的望远镜第二十五页，共56页。折反射(fnsh)望远镜1930年德国的施密特制造出第一架折反射望远镜。同时使用反射镜和折射镜。反射镜是球面镜，放在球面曲率中心的形状奇特的透镜做“改正镜”，可以补偿反射镜引起的球差，又不会产生(chnshng)彗差和明显的色差

12、。1940年苏联光学家马克苏托夫发明马克苏托夫望远镜，和施密特望远镜类似，它的改正镜是弯月形，两个表面都是球面。制作容易。和反射镜相比，折反射镜的视场可以做的较大，有利于拍摄。第二十六页，共56页。施密特望远镜第二十七页，共56页。射电望远镜 1931年至1932年，美国的电信工程师央斯基（1905-1950）在研究无线电短波通讯中的各项干扰因素时，用无线接收天线，接收到来自银河(ynh)中心的电磁辐射，开创了射电天文学。第二十八页，共56页。射电望远镜澳洲(o zhu)帕克斯射电望远镜 第二十九页，共56页。密云(m yn)天线阵第三十页，共56页。大气(dq)窗口 地球被一层厚厚的大气层包

13、围，为我们提供了充足的氧气、适宜的温度，保护人类免受来自太空的不速之客，如流星、粒子辐射等等的袭击。但同时这层“面纱”吸收了大部分波段的电磁波，宇宙中的各类天体发射着从波长106米-10-14米范围内的电磁辐射,地面上只能通过两个窗口光学和射电去观察星象。50年代人造卫星的上天，使得(sh de)天文学从地面观测跃进到空间观测，从狭窄的光学波段、射电波段扩展到整个电磁波谱。第三十一页，共56页。第三十二页，共56页。哈勃太空(tikng)望远镜 第三十三页，共56页。望远镜的几个(j)基本参数：望远镜的口径望远镜的口径(kujng)(kujng)：指望远镜物镜所能收到的最大光：指望远镜物镜所能

14、收到的最大光束的直径。通常将经过镜框限制后所能接收到的最大光束的束的直径。通常将经过镜框限制后所能接收到的最大光束的直径称为有效口径直径称为有效口径(kujng)D(kujng)D或入射光瞳。或入射光瞳。焦点：平行于望远镜光轴的入射光束，通过理想光学系统后焦点：平行于望远镜光轴的入射光束，通过理想光学系统后汇聚在光轴上的那一点称为焦点。位于主轴上的焦点称为主汇聚在光轴上的那一点称为焦点。位于主轴上的焦点称为主焦点。焦点。焦距：从望远镜光学系统主点到主焦点的距离称为焦距焦距：从望远镜光学系统主点到主焦点的距离称为焦距F F。第三十四页，共56页。望远镜的几个(j)基本参数：相对口径：望远镜有效口

15、径相对口径：望远镜有效口径D与焦距与焦距F之比。通常将相对之比。通常将相对口径口径A称为相对孔径、光力或口径比。记为称为相对孔径、光力或口径比。记为 A=D/F焦比：将相对口径的倒数焦比：将相对口径的倒数1/A称为焦比或相对焦距。照相称为焦比或相对焦距。照相机镜头上称为光圈。机镜头上称为光圈。出射光瞳：指物镜通过目镜系统所成的像。一般出射光瞳出射光瞳：指物镜通过目镜系统所成的像。一般出射光瞳d的直径不能很大，最大值最好小于人眼瞳孔的直径，否的直径不能很大，最大值最好小于人眼瞳孔的直径，否则从望远镜射出的光将不能全部则从望远镜射出的光将不能全部(qunb)进入人眼。进入人眼。第三十五页，共56页

16、。望远镜的几个(j)基本参数：聚光本领：望远镜收集的光能与人眼瞳孔所接收的光能力聚光本领：望远镜收集的光能与人眼瞳孔所接收的光能力之比称为望远镜的聚光本领之比称为望远镜的聚光本领P。人眼瞳孔直径人眼瞳孔直径(zhjng)d眼在白天约为眼在白天约为2.5毫米，夜晚约毫米，夜晚约为为5毫米，在完全适应黑暗环境的条件下，瞳孔最大直径毫米，在完全适应黑暗环境的条件下，瞳孔最大直径(zhjng)不超过不超过8毫米。望远镜的聚光本领可以用公式毫米。望远镜的聚光本领可以用公式P=D2/d眼眼2表示。表示。在理想条件下，正常人的眼睛可以看到在理想条件下，正常人的眼睛可以看到6等星，有效口径等星，有效口径80毫

17、米望远镜的聚光本领毫米望远镜的聚光本领P=(80/8)2=100，比肉眼看到的，比肉眼看到的星暗星暗100倍，（倍，（2.5*lg100=5）,即通过望远镜可以看到即通过望远镜可以看到6+5=11等的星。可见望远镜发挥了增加聚光本领的作用。等的星。可见望远镜发挥了增加聚光本领的作用。第三十六页，共56页。望远镜的几个(j)基本参数：极限星等极限星等(xngdng)：将望远镜指向天顶，肉眼所能看到：将望远镜指向天顶，肉眼所能看到的最暗恒星的星等的最暗恒星的星等(xngdng)称为极限星等称为极限星等(xngdng)，也叫贯穿本领。也叫贯穿本领。极限星等极限星等(xngdng)与望远镜的有效口径、

18、相对口径、物与望远镜的有效口径、相对口径、物镜的吸收系数、大气的吸收系数和天空背景亮度等多种因镜的吸收系数、大气的吸收系数和天空背景亮度等多种因素有关。素有关。极限星等极限星等(xngdng)ml与以厘米为单位的望远镜有效口径与以厘米为单位的望远镜有效口径之间的简单关系由公式之间的简单关系由公式 ml=6.9+5lgD 给出。例如有效口给出。例如有效口径径15厘米的望远镜，极限星等厘米的望远镜，极限星等(xngdng)约为约为12.8等。等。第三十七页，共56页。望远镜的几个(j)基本参数：放大率：放大率=F物/F目，或 放大率=D/d望远镜的有效放大倍数与望远镜物镜的有效口径有关，口径越大有

19、效放大倍数越大，如果硬将小口径望远镜的倍数调大，星像的细节部分(b fen)还是看不到，反而会使观测天体变得很暗，而且由于光的衍射效应，星像会变得模糊。一般望远镜的有效放大倍数是物镜有效口径以毫米为单位的值。第三十八页，共56页。望远镜的几个(j)基本参数：分辨角：把望远镜能分清为两个物点的最小角距离分辨角：把望远镜能分清为两个物点的最小角距离(jl)称为分辨角，也叫分辨率。称为分辨角，也叫分辨率。分辨率与光的波长和望远镜的口径有关。计算公式为分辨率与光的波长和望远镜的口径有关。计算公式为 =1.22/D（弧度）（弧度）取取550纳米，纳米，D以厘米为单位，以厘米为单位，以角秒为单位以角秒为单

20、位 =14/D（角秒）（角秒）第三十九页，共56页。望远镜的几个(j)基本参数：视场：用目视望远镜观测星空时所能见到的天空部分的角直视场：用目视望远镜观测星空时所能见到的天空部分的角直径叫视场。当目镜径叫视场。当目镜(mjng)的工作视场一定时，望远镜的视的工作视场一定时，望远镜的视场与放大率成反比。场与放大率成反比。照相望远镜的视场是指底片上星像良好区域的角直径。照相望远镜的视场是指底片上星像良好区域的角直径。第四十页，共56页。望远镜主要解决望远镜主要解决“看得见看得见”和和“看得清看得清”两方面的问题。两方面的问题。前者指接收到光子的数量有多少，后者指光子在视网膜上前者指接收到光子的数量

21、有多少，后者指光子在视网膜上集合成像的清晰度。望远镜的口径越大，接收到的光子数集合成像的清晰度。望远镜的口径越大，接收到的光子数越多，越多，“看得见看得见”的本领就越高。的本领就越高。“看得清看得清”的问题和光学系统的质量，如玻璃的品质、加的问题和光学系统的质量，如玻璃的品质、加工精度、装配精度、保养状况有关，但即使是理想工精度、装配精度、保养状况有关，但即使是理想(lxing)的光学系统，仍有一个不可逾越的限制，即光的的光学系统，仍有一个不可逾越的限制，即光的衍射效应。衍射效应。第四十一页，共56页。由于光的衍射效应从一个点发出的光子被理想的光学系统由于光的衍射效应从一个点发出的光子被理想的

22、光学系统聚焦后，仍不能集中在一个点上，而是散布在一个小圆面聚焦后，仍不能集中在一个点上，而是散布在一个小圆面和外围一圈一圈逐渐减弱的亮环中，中央的小圆面称为和外围一圈一圈逐渐减弱的亮环中，中央的小圆面称为“爱里斑（爱里斑（Airy）”，如果两个光点的距离太近，使各自两个，如果两个光点的距离太近，使各自两个爱里斑相连，就不能清楚地分辩爱里斑相连，就不能清楚地分辩(fnbin)出两个光点的像。出两个光点的像。光的衍射现象限制了光的衍射现象限制了“看得清看得清”的能力。的能力。第四十二页，共56页。望远镜的机械(jxi)装置望远镜的机械装置除了对镜筒起支撑作用的支架、平衡锤等部望远镜的机械装置除了对

23、镜筒起支撑作用的支架、平衡锤等部件外，最重要的是跟踪系统。件外，最重要的是跟踪系统。为了使望远镜能够观测天球上任意位置的天体，它必须能够绕为了使望远镜能够观测天球上任意位置的天体，它必须能够绕两条互相垂直的轴线旋转两条互相垂直的轴线旋转(xunzhun)。根据轴线方向选择的。根据轴线方向选择的不同，望远镜的装置分为两类：不同，望远镜的装置分为两类：地平式装置。地平式装置。赤道式装置。赤道式装置。第四十三页，共56页。地平式装置(zhungzh)一条轴线沿铅垂线方一条轴线沿铅垂线方向，称为向，称为(chn wi)竖直轴；另一条轴线竖直轴；另一条轴线沿水平方向，称为沿水平方向，称为(chn wi)

24、水平轴。水平轴。当绕竖直轴旋转时，当绕竖直轴旋转时，望远镜的地平纬度不望远镜的地平纬度不变，地平经度改变；变，地平经度改变；当绕水平轴旋转时，当绕水平轴旋转时，望远镜的地平经度不望远镜的地平经度不变，地平纬度改变。变，地平纬度改变。第四十四页，共56页。赤道赤道(chdo)式装置式装置天体观测一般都需要天体观测一般都需要较长的时间，由于天较长的时间，由于天体的周日视运动，望体的周日视运动，望远镜最好能跟踪，最远镜最好能跟踪，最方便的办法是把一条方便的办法是把一条旋转轴沿平行于天轴旋转轴沿平行于天轴的方向放置，这就是的方向放置，这就是(jish)“极轴极轴”，这种装置称为赤道式这种装置称为赤道式

25、装置，另一条轴线位装置，另一条轴线位于天球的赤道面内，于天球的赤道面内，就是就是(jish)“赤纬赤纬轴轴”。当绕极轴旋转。当绕极轴旋转时，望远镜的赤纬不时，望远镜的赤纬不变，赤经改变；当绕变，赤经改变；当绕赤纬轴旋转时，望远赤纬轴旋转时，望远镜的赤经不变，赤纬镜的赤经不变，赤纬改变。改变。第四十五页，共56页。第四十六页，共56页。第四十七页，共56页。第四十八页，共56页。第四十九页，共56页。双筒望远镜双筒望远镜具有成像清晰明双筒望远镜具有成像清晰明亮，视场大、携带方便、价亮，视场大、携带方便、价格便宜等优点，很适于天文格便宜等优点，很适于天文爱好者用来巡天和观测星云、爱好者用来巡天和观

26、测星云、星团、彗星等面状天体。在星团、彗星等面状天体。在晴朗无月的夜晚用双筒镜观晴朗无月的夜晚用双筒镜观测时，可见在广阔的视场之测时，可见在广阔的视场之中繁星密布，偶尔有一、两中繁星密布，偶尔有一、两朵星云、星团点缀其间，令朵星云、星团点缀其间，令人心旷神恰。如果你过去一人心旷神恰。如果你过去一直使用高倍率、长焦距的天直使用高倍率、长焦距的天文望远镜，也许还没有意识文望远镜，也许还没有意识到自己已经失掉了很多观测到自己已经失掉了很多观测的乐趣，那么请试用一下双的乐趣，那么请试用一下双筒镜，你一定会被视场中平筒镜，你一定会被视场中平时未曾欣赏过的美景深深的时未曾欣赏过的美景深深的陶醉。由于双简镜

27、有着广泛陶醉。由于双简镜有着广泛的用途，所以在市场上它的的用途，所以在市场上它的品种繁多，性能品种繁多，性能(xngnng)也相差很大。也相差很大。第五十页，共56页。双筒镜双筒镜现在常见的是开普勒式双筒镜，它的视场比伽利略式的大，而且成像更加现在常见的是开普勒式双筒镜，它的视场比伽利略式的大，而且成像更加清晰，但开普勒式双筒镜成的是倒立的像，为了得到正像，在它的光路中清晰，但开普勒式双筒镜成的是倒立的像，为了得到正像，在它的光路中加有转像棱镜或转像透镜加有转像棱镜或转像透镜(tujng)，这些转像装置在地面观测中是必不，这些转像装置在地面观测中是必不可少的。但像的倒正对天文观测来说无关紧要，

28、不过正像望远镜可以给初可少的。但像的倒正对天文观测来说无关紧要，不过正像望远镜可以给初学者找星带来方便。学者找星带来方便。双筒镜采用的是折射系统，双筒镜采用的是折射系统，可分为伽利略式和开普勒式可分为伽利略式和开普勒式两种。伽利略式双筒镜结构两种。伽利略式双筒镜结构简单简单(jindn)，光能损失，光能损失小、镜筒较短、价格也较低，小、镜筒较短、价格也较低，但是，它的放大率一般不能但是，它的放大率一般不能超过超过6倍，放大率再增加，倍，放大率再增加，视场就会迅速减小，视场边视场就会迅速减小，视场边缘变暗。成像质量也会下降，缘变暗。成像质量也会下降，所以这种双筒镜用得较少。所以这种双筒镜用得较少

29、。第五十一页，共56页。双筒镜的口径、放大率和视场一般都标在镜身上。口径和双筒镜的口径、放大率和视场一般都标在镜身上。口径和放大率用两组数字放大率用两组数字(shz)表示，例如表示，例如“1050”表示这架表示这架双筒镜的放大率为双筒镜的放大率为10倍。口径是倍。口径是50毫米；再如毫米；再如“154060”表示放大率在表示放大率在15倍至倍至40倍之间可调，口径是倍之间可调，口径是60毫米。毫米。视场是反映望远镜性能的另一个重要参数。与天文望远镜视场是反映望远镜性能的另一个重要参数。与天文望远镜不同，双筒镜的视场经常不以不同，双筒镜的视场经常不以“度度”作单位给出，而是给作单位给出，而是给出在出在1000米米(码）处能看到的景物的最大宽度。如码）处能看到的景物的最大宽度。如“131m/1000m”或或“393Ft./1000Yd.”表示用这架双筒镜表示用这架双筒镜能看到能看到1000米米(码码)处的景物的最大宽度为处的景物的最大宽度为131米米(393英尺英尺)。第五十二页，共56页。第五十三页，共56页。第五十四页，共56页。第五十五页，共56页。目镜(mjng)第五十六页，共56页。