注：以下仿真模拟可能存在部分错误，欢迎指正

望远镜的历史及现状

望远镜的历史可以追溯到1608年，荷兰人Hans Lippershey以平凸透镜作为物镜，凹透镜作为目镜，构成了世界上第一台望远镜，值得一提的是，当时Hans Lippershey想依靠望远镜申请专利，或许是太多人都自称是发明者^[1]，因此，此项专利并没有得到批复，但是这项发明很快传遍了整个欧洲。伽利略在第二年基于此改进了这一型望远镜观测天象，因此这种望远镜被称为伽利略望远镜。开普勒在1611年描述了如何用凸透镜的物镜和目镜制作出更有用的望远镜；而克里斯蒂安·惠更斯配合复合目镜制造出倍数高但视野不广的开普勒望远镜。

图 1伽利略型望远镜与开普勒型望远镜示意图

1668年，牛顿结合斜置对角的小平面镜将光线反射至望远镜侧边的目镜，制造出第一架"实用"的反射镜。洛朗·卡塞格林在1672年描述使用一个小凸透镜作为第二反射镜，将光线反射穿过主镜中心洞孔的设计。^[2]

图 2牛顿反射镜示意图

图 3卡塞格兰反射镜示意图

消色差透镜在1733年出现在贾斯特·摩尔·霍尔制做的望远镜，大大的降低了物镜的色差，使望远镜可以制做得更短并且有更多的功能，但是它没有公布。约翰·多隆德学到了霍尔的发明，并且在1758年制作出望远镜，开始商业的量产。

在1721年，约翰·哈德利制造出大的抛物面镜，这标志着反射镜望远镜发展的重要事件。莱昂·傅科在1857年引入了在玻璃镜面上镀银的程序，进一步提高了反射镜的性能。到了1932年，人们开始采用可以持久的渗铝涂层反射镜，使反射镜的性能更加稳定和持久。^[3]

图 4抛物面镜锅

然而，在1850–1900年间，反射镜遭受了金属镜面材料的问题，这使得许多"伟大的折射望远镜"得以诞生，口径从60公分到1米的折射望远镜，例如叶凯士天文台在1897年建造的。但从1900年代初期开始，一系列口径越来越大的，以玻璃做为镜面的反射镜陆续建造出来，包括威尔逊山的60英寸、100英寸（2.5米）的虎克望远镜（1917年），和200英寸的海尔望远镜（1948年）。基本上，从1900年以来所有主要的研究望远镜一直都是反射望远镜。^[4]

图 5虎克望远镜

在1975–1985年代，一些4米级（160英寸）的望远镜在夏威夷的火山岛和智利沙漠中的高海拔地点被建造起来。在1970年代，发展出由电脑控制的经纬仪架台，和1980年代的主动光学，使新一代更巨大的望远镜诞生，从在1993年和1996年完成的两架10米的凯克望远镜，以及一些8米的望远镜，包括ESA的甚大望远镜、双子望远镜和昴星团望远镜。^[5]

图 6凯克望远镜

另一方面，电波天文学的发展也对望远镜的历史产生了重要影响。在1931年，卡尔·央斯基偶然意外发现一个电波源，开启了电波望远镜（连同电波天文学）的纪元。许多类型的望远镜，从无线电到伽玛射线的广阔波长范围，都是在20世纪发展起来的。在1960年以后发展的太空望远镜，可以观测在地面上观测不到的几个波段，包括X射线和波长更长的红外线波段。

随着科技的不断进步，现代望远镜已经演变成为极其复杂和强大的天文观测工具。在性能上的飞跃主要得益于光学设计的创新、材料科学的发展，以及电子技术和计算机技术的应用。

在口径的大小上，为了捕获更多的光线以提高观测的灵敏度，现代望远镜的尺寸在不断增加。例如，位于智利的甚大望远镜（VLT）由四个8.2米的主镜组成，而正在建造中的大型望远镜，如欧洲极大望远镜（ELT），其主镜口径达到了39.3米，预示着未来地基望远镜在集光能力方面的新纪元。^[6]

图 7ELT

不止于地基望远镜，在1990年4月24日由发现号航天飞机，于STS-31航次将哈勃空间望远镜成功的送入计划中的轨道。其中，地基望远镜所没有的好处：影像不受大气湍流的扰动、视宁度绝佳，且无大气散射造成的背景光，还能观测会被臭氧层吸收的紫外线。其于1990年被发射之后，成为了天文史上最重要的仪表。它成功弥补了地面观测的不足，帮助天文学家解决了许多天文学上的基本问题，使得人类对天文物理有更多的认识，直至今日，哈勃空间望远镜仍为人类提供重要科研数据。^[7]在未来，中国也将使用运载火箭发射巡天空间望远镜，在功能参数上巡天号比哈勃望远镜视野范围更大一点，像素也更高一点，观测效率也更高。^[8]

图 8哈勃空间空间望远镜

现代望远镜不再仅限于传统意义上的可见光学望远镜，也包括射电望远镜等。射电望远镜是一个专门的天线和无线电接收机，在射电天文学用来接收天空中从天文射电源的无线电波。射电望远镜的外形差别很大，有固定在地面的单一口径的球面射电望远镜，有能够全方位转动的类似卫星接收天线的射电望远镜，有射电望远镜阵列，还有金属杆制成的射电望远镜。^[9]射电望远镜观测高能射线和深远宇宙方面有着独特的优势，使得宇宙的观测变得更加全面。比如中国FAST射电望远镜，到现在工作不到十年时间里，已经发现超900颗脉冲星。^[10]

图 9射电望远镜使用的干涉原理示意图

参考文献：

1. 望远镜. 维基百科，自由的百科全书[EB/OL]. [2024-06-15]. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%9C%9B%E8%BF%9C%E9%95%9C.
2. 洛朗·卡塞格兰. 维基百科，自由的百科全书[EB/OL]. [2024-06-15]. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B4%9B%E6%9C%97%C2%B7%E5%8D%A1%E5%A1%9E%E6%A0%BC%E5%85%B0.
3. 拋物面反射器. 维基百科，自由的百科全书[EB/OL]. [2024-06-15]. https://zh.wikipedia.org/zh-cn/%E6%8B%8B%E7%89%A9%E9%9D%A2%E5%8F%8D%E5%B0%84%E5%99%A8.
4. 威尔逊山天文台. 维基百科，自由的百科全书[EB/OL]. [2024-06-15]. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%A8%81%E5%B0%94%E9%80%8A%E5%B1%B1%E5%A4%A9%E6%96%87%E5%8F%B0.
5. 凯克天文台. 维基百科，自由的百科全书[EB/OL]. [2024-06-15]. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%87%B1%E5%85%8B%E5%A4%A9%E6%96%87%E5%8F%B0.
6. 欧洲极大望远镜. 维基百科，自由的百科全书[EB/OL]. [2024-06-15]. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%AC%A7%E6%B4%B2%E6%9E%81%E5%A4%A7%E6%9C%9B%E8%BF%9C%E9%95%9C.
7. 哈勃空间望远镜. 维基百科，自由的百科全书[EB/OL]. [2024-06-15]. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%93%88%E5%8B%83%E7%A9%BA%E9%97%B4%E6%9C%9B%E8%BF%9C%E9%95%9C.
8. 巡天号光学舱. 维基百科，自由的百科全书[EB/OL]. [2024-06-15]. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%B7%A1%E5%A4%A9%E5%8F%B7%E5%85%89%E5%AD%A6%E8%88%B1.
9. 射电望远镜. 维基百科，自由的百科全书[EB/OL]. [2024-06-15]. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%B0%84%E7%94%B5%E6%9C%9B%E8%BF%9C%E9%95%9C.
10. 中国科学院国家天文台. 百年巡天，接续奋斗：国家天文台发展历程回顾[EB/OL]. [2024-06-15]. https://www.nao.cas.cn/ncb/kp/202203/t20220331_6417254.html.
11. 刘正军. 《望远镜的发明与发展》[J]. 物理通报, 2013, 35(1): 12-15.
12. 黄一成. 《牛顿望远镜的发展历史》[J]. 自然科学史研究, 2012, 31(4): 78-82.

透射式反摄远物镜设计

具体参数：对无穷远物体成像，需要一个光学系统能满足下面技术指标：长(前透镜到像面距离)200mm，工作距离(从后透镜到像面距离)80mm，焦距(efl)50mm，速度f/4.0，视场    11.4°(±0.1rad)，零渐晕，孔径光阑位于后透镜上。

要求：1.采用透射式结构，计算物镜、目镜各自的焦距f_a、f_b和光在两个透镜上的投射高度D1、D2。假设初始结构采用的是BK7玻璃，（要求写明计算步骤）。

2. 用光学软件设计结构（要求在大作业中需要写清楚具体结构参数）；用软件优化，并展示点列图。

计算

模拟

根据要求设置f 4.0、视场11.4°，需要转为弧度制，约为0.198，再输入三个镜片参数

此时结果如下：

再设置镜面5为光阑面，并且将6个镜面均设置为变量：

优化，评价函数勾选删除渐晕，新增EFFL设置为50mm：

优化后结果如下：

反射式望远镜物镜设计

具体参数：设计一个天文望远镜R-C系统，要求主镜口径为2160毫米，整个系统的相对孔径为1:9，系统的焦距为19440mm，主镜的曲率半径为-12960mm，次镜的曲率半径为：-5797.5mm，两镜直径的距离为4547.5mm，焦点需引出主镜之后，焦点伸出量为1250mm.

要求：用光学软件进行反射式望远镜物镜结构设计，用软件进行优化，并展示点列图，MFT曲线，及衍射圈入能量分析。

首先，根据要求设置孔径，设置2个视场，半视场角为0.1度，波长选择可见光，再设置主镜曲率半径为-12960mm，次镜的曲率半径为：-5797.5mm，再设置两镜直径的距离为4547.5mm。

此时结果如下：

下一步新增空气面并移除遮挡：

此时结果如下：

下一步需要完成光学系统的优化：

设置两镜圆锥系数均为变量而非定值，再使用默认评价函数设置PTV和主光线，再将EFFL设置为焦距19440，设置CTGT（焦点伸长量）为1250，最后运行优化，最后结果如下：