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折反射望远镜的发展历程
发布时间:2018-04-21浏览次数:260返回列表

我们知道,光学望远镜可以分为三类,即折射望远镜、反射望远镜和折反射望远镜。前二者我们已经分别叙述过,现在讲解折反射望远镜的诞生和发展历程。折反射望远镜的英文是C.aCadioptric telescopes,而Cataciiop cri是catoptric(反射的)和djoptric(折射的)的合成语,顾名思义,折反射望远镜是将折射系统与反射系统相结合的一种望远镜,它的物镜既包含透镜又包含反射镜,天体的光线要同时受到折射和反射。折反射望远镜具有光力强、视场大、像差小等优点,通常用于巡天、快速移动的天体(如流星和人造卫星)以及大尺度、面光源的摄影。由于兼顾折射和反射两种望远镜的优点,不仅适合专业天文观测,也非常适合业余天文观测,因而得到广大天文爱好者的青睐。

有文献说,最早的折反射望远镜出现于1 81 4年,如美国天文学家、 “纽康天文常数系统”的奠基人西蒙·纽康( Simon Newcomb,1835-1909)在其著名的《通俗天文学》中就说: “折反射望远镜出现于1 81 4年,哈密尔顿提出在透镜组中间加入反射面,以增加光焦度,这样就能用一般的玻璃得到色差改正比消色差物镜更好的望远镜。”哈密尔顿是何许人也,笔者没有进一步查到。笔者想,那可能只是一种萌芽,一种雏形。真正的折反射望远镜诞生于20世纪的30年代。那正是天文望远镜的发展处于瓶颈的时代。

我们知道,1 9世纪下半叶是折射望远镜的时代,而20世纪上半叶则是大型反射望远镜的时代。自1 988年建成利克天文台的91厘米折射望远镜和1 997年建成叶凯士天文台的1 02厘米折射望远镜之后,至今没有造出1 02厘米的折射望远镜,说明折射望远镜已经达到了它的颠峰,它的路也走到了尽头。1 908年在威尔逊山天文台建成1 5米的海尔反射望远镜,1 91 7年在威尔逊山天文台建成2.5米的胡克反射望远镜,这表明在20世纪初大型反射望远镜又占了上风。

胡克反射望远镜的成功,导致了其他一系列大型反射望远镜的设计和制造。不幸的是,大型反射镜的抛物面具有先天性的缺陷。

虽然反射望远镜在最好的条件下能以绝妙的精度,看出暗得异乎寻常的天体,但是,这个“最好的条件”是指位于或者靠近望远镜视场中心的天体而言,而对于远离中心的天体,则出现“彗差”,即星体的像看上去就像极小的彗星,拖着一条背离中心的尾巴。

这意味着大型反射望远镜只有在它直接指向的一小块天空才有可能拍摄到优秀的照片。在其他区域,无论在哪个方向上,都因失真过大而无法使用。事实上,望远镜越大,每次能高精度地观察的范围就越小。

例如,用威尔逊山那台2.5米的胡克反射望远镜,每次只能观测像满月那么大小的一块天空。5.08米的海尔望远镜的视场甚至比这更小。如果用大型反射望远镜拍摄星空,每次一小块一小块地拼接起来,制定覆盖整个天空,那么就需要拍摄几十万甚至几百万次。大望远镜的这一缺点,使它们难以胜任“巡天”观测。

天文学上最普遍的“巡天”,就相当于对天体进行“户口普查”,这将为大量天文研究工作提供最基本的素材。正如普查人口之后,就可以根据不同的特征——不同性别、不同民族、不同年龄等,对“人”进行分门别类的统计研究那样,对天体进行“户口普查之后也可以根据不同的特征——不同亮度、不同距离、不同光谱类型等,对它们进行分门别类的统计研究。

要想在不太长的时间内完成一次天体的“户口普查”,望远镜的视场不能太小,因而其口径就不能太大;另一方面,为了看清很暗的天体,望远镜又必须足够大,这两者是有矛盾的。显然折射望远镜和反射望远镜都不可能解决这一矛盾。那么,有没有可能, “鱼与熊掌兼得”,造出一种口径既大、视场也大的新型望远镜呢?这就是折反射望远镜诞生的历史背景,而完成这一历史使命的是德籍俄国光学家施密特。 独臂奇才施密特

光学家伯哈德·福尔多马尔·施密特( Bernhard Woldemar Schmidt,1879-1935),1 879年3月30日生于俄罗斯属地爱沙尼亚塔林海域的奈萨尔岛上。他有6个兄弟姐妹,是家中的长子。奈萨尔岛上的居民大多是爱沙尼亚一瑞典血统,说瑞典语或爱沙尼亚语。施密特一家还说德语。

施密特曾是一个富于好奇心、创新力和想象力的少年。小的时候就在海滨玩耍,寻找有用的东西来用于他的发明。夜晚他就默记各个星座。冬季的一天,他注意到一块透明的干冰把下面的树叶和草放大了,他能清晰地看到树叶的纹络一很快他研究起光学来了。他自己制造照相机,据传,他用沙子将一个瓶子底磨成了一个透镜。不幸的是在1 5岁那年,他把炸弹填进铁管,不小心铁管爆炸而炸掉了他的右手的拇指和食指。医生把他的手连同前臂一同切除了。

1 895年,1 6岁的施密特移居塔林,他找到一份工作,当上了夜间电报报务员。在工作期间他有时间用自制的望远镜观测天空。1 901年,他是看到乔治‘理奇(George W…isRitchey,1864-1945)所拍摄的英仙座新星的第一批人中的一个。那年晚些时候,施密特搬到德国的一个小镇一一耶拿附近的米特韦达,这是一个光学研究和制造中心。他在一个废弃的保龄球馆里建立一个镜子磨制车间。在这个车间里,他用四分之一世纪的时间证明了一个独臂的光学家可以造出极其精确的望远镜镜片。

大约在1 909年,施密特用一个38厘米的主镜片和一根1 1米长的管子做了一架平卧式的固定望远镜。用一个巧妙的水表将一个平面镜转动跟踪一颗恒星,平面镜反射来的光,顺着管子传到下面。施密特用这架望远镜拍摄下的月球和行星的照片效果很好。此时施密特的事业日渐发达,他在德国变得很有名气。这不仅是由于他提供了当时最难制造的高精度的反射镜,还由于他能够对以前一些著名光学车间制造的光学透镜进行改进,譬如对波茨坦天体物理台的50厘米折射望远镜的改进等。

然而第一次世界大战时他的事业一落千丈,一则由于爱沙尼亚属于俄罗斯,是德国的敌人,因此他被当作敌人逮捕收监六个月,二则因为德国战败,通货膨胀,百业萧条,科研经费不足。1 926年他接受了汉堡天文台的一项工作,在天文台主楼的地下室建立一个光学车间,用来维修他原来卖给汉堡天文台的平卧式望远镜,他可以住在伯格多夫( Bergedorf)镇的免费住房,食宿免费,但是没有薪水。

汉堡天文台是欧洲著名的天文台之一,配备当时傲视欧洲各国的先进仪器,诸如60厘米折射赤道仪(具备拍摄光谱与星体定位的性能)、蔡司1米口径反射望远镜、60厘米口径反射望远镜与30厘米Lippert摄星镜(焦比1:5),并开始所谓的AGK计划。到1 930年,总计有20万颗星已被测量并标定位置,1 935年又利用光谱测量与光度计,观测了1 5万颗变光星。这时汉堡天文台达到它历史上的巅峰,在传统天文学(天体测量学)的优异表现,为后代天文物理学发展奠定了良好的基础。 构思巧妙的施意一一把反射望远镜的抛物面改成制作类型最简单的球面镜;这种镜面所产生的球面光行差,使图像模糊不清;但是,假如能磨制出一个矫正板来欺骗光线,将光线折射,以便矫正光行差,结果会怎样呢,7施密特十分激动,把这一想法告诉了他很少信任的几个同事之一的天文学家沃尔特·巴德( Walter Baade,1893-1960)。巴德也认为这种方法有可能奏效。

施密特回到汉堡天文台后,就把自己几乎完全封闭于那个又阴又冷的地下室里,不与任何人打交道,把全部精力投入到研究完全新型的望远镜的工作之中。经过一次又一次的推敲与试验,1 930年他终于拿出了一个令天文学家们十分满意的结果——一架主口径48厘米、改正镜36厘米、主口径与焦距之比为2:1的折反射望远镜。

施密特设计的这种折反射望远镜的光路非常巧妙,它的一块球面主镜放在镜筒的后边,一块波浪形的透镜放在主镜前的适当的位置,这块波浪形的透镜被称为改正镜。改正镜与主镜的口径比例大约是2:3。望远镜的焦点不是聚集在一个平面上,而是聚集在一个曲面上。

这个光学结构的设计,耗费了施密特的大量精力,因为当时根本没有计算机,完全凭靠他的一个大脑和一只左手。另外,这套光学结构的工艺要求也非常高,透镜的波浪要十分精确。他发明了巧妙的真空吸附研磨法,来制造形状奇特的改正镜(所谓波浪形就是中心部分突出,边沿部分凹下,之间平直)。百折不挠的施密特成功了,然而他本人却积劳成疾,于1 935年12月1日,年仅56岁就去世了。密特望远镜 施密特在汉堡天文台进行了开创性的工作,从而成为汉堡天文台历史上的骄傲。1 927年至1 929年他参加了两次日食观测,一次在瑞典北部,一次在菲律宾。在由菲律宾折返的漫长旅途中,施密特思考着几年来一直困扰着他的问题——其天文照片只是在取景的中央部分才清晰,而在接近边缘部分,彗星像差使得星像模糊得成了泪珠。怎样才能把整个取景部分都聚焦拍摄下来呢?

他看着大海的波涛,突然有了主

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