英国数学家、物理学家、天文学家艾萨克·牛顿认为可以采用一定形状的表面反射来实现光线的汇聚。

在1668年牛顿采用合金材料亲自磨制了一块凹球面镜，并用它组装完成了世界上第一台反射式天文望远镜。

这台反射式天文望远镜的反射镜面直径是25mm，镜筒长度是150mm。

与折射式望远镜不同的是，它的目镜安装在镜筒前端。在镜筒内部有一个小型的平面反射镜，将系统的光路偏转90°射入目镜。

牛顿制作的望远镜

反射式望远镜的发明使得天文望远镜大型化成为了可能。

一方面它只需要磨制一个反射面来汇聚光线，降低了大型镜片的制作难度；

另一方面镜身可以采用桁架结构减轻望远镜的整体重量；

更重要的是它从本质上克服了折射式光学系统产生的色差。

恒星天文学之父、英国天文学家威廉·赫歇尔曾经非常热衷于制作大口径反射望远镜。他一生中制作了数十架反射式望远镜，其中最大的一台反射式望远镜，镜片直径达到1220mm。这些大型的反射望远镜帮助赫歇尔在天文观测上取得了巨大的成就。

威廉·赫歇尔制作的大型反射望远镜

赫歇尔制作的这种大型反射式天文望远镜，结构尺寸巨大。

由于目镜位于望远镜的前端，观测时人需要爬到高处的观测平台上，显得十分不便。

实际上早在1672年，洛冉·卡塞格林便提出了一种反射式望远镜的结构。

它最大的特点是在主反射镜的中央开了一个圆孔，由凸面的副反射镜将光线反转180°从主反射镜中央的圆孔中射出进入目镜。这一结构使得观测者可以像使用折射式望远镜一样从望远镜后端进行观测。

牛顿式反射望远镜和卡塞格林式反射望远镜

凹球面反射主镜制作起来相对比较容易，但是凹球面本身也存在一个严重的光学缺陷。

实际上凹球面是不可能将平行光汇聚到一个点上的，它只能将平行光汇聚在一条位于光轴的直线上。

这种现象被称作球面像差，简称“球差”。

球差是凹球面反射镜的基本特性，不可能消除。它的存在严重降低光学系统的分辨能力。在不改变反射望远镜光学结构的前提下，减小球差只能尽量增大凹球面的半径和减小镜片的直径。这又制约了反射望远镜性能的发挥。

球面反射镜的球差

1931年，德国光学家施密特通过对球面像差的研究，发现可以在主反射镜前端增加一个薄的非球面改正镜，以达到消除凹球面反射镜球差的目的。

施密特设计的改正镜是一种类似于波浪形的薄透镜，这种透镜制作起来有一定难度。不过它的优势也明显，重量比较小，适合制作更大口径的望远镜。

1940年，前苏联光学大师马克苏托夫设计了一种全新的改正镜。

这种改正镜的两个表面采用不同半径的球面，形状类似一弯新月，因此也被称作“弯月镜”。

弯月镜最大的优点是制作和加工方便。不过缺点也很明显，口径越大的光学系统弯月镜也越厚，重量也越大。对制作大口径望远镜有一定的限制。

折反射式望远镜

无论是施密特改正镜还是马克苏托夫改正镜，它们均可以被安装在牛顿式反射望远镜或者卡塞格林式反射望远镜上，用于改正凹球面反射镜产生的球面像差。这种光学系统也被称作折反射式天文望远镜。

事实上，不使用改正镜也可以消除球差。例如使用**凹抛物面反射镜，**不过有利自然就有弊。

一方面抛物面镜的制作难度极大。时至今日也只能依靠手工研磨进行球面镜的抛物面化。

近年来，日本威信光学采用通过镀膜工艺实现球面镜的抛物面化，使得凹抛物面反射镜的制作成本大大降低，但这一技术始终未能普及。另一方面抛物面镜虽然没有了球差但是又存在彗形像差（简称“彗差”）。消除彗差同样需要相应的改正镜，只不过消除彗差的改正镜可以安装在目镜前端。体积小，而且价格低廉。

经过近四百年的发展，反射式光学系统演化出了很多种类型。

大多数衍生类型都是以改变主、副反射镜的型面和主、副反射镜的位置来实现的。反射望远镜的型面除了前面所说的凹球面、凹抛物面之外还有凹椭球面、凹双曲面等等。

现今世界上主流的大型光学天文望远镜绝大多数都是反射式望远镜的各种衍生版。其中著名的大型天文望远镜包括位于夏威夷莫纳克亚山天文台的10米口径凯克I、凯克II望远镜和位于智利塞罗·帕瑞纳山欧洲南方天文台的4台8.2米口径甚大望远镜（VLT）。

甚至已经在地球轨道上运行数十年的哈勃空间望远镜，以及下一代的大型空间望远镜“詹姆斯-韦伯”都采用了反射式光学系统。

凯克望远镜

甚大望远镜

新一代的光学天文望远镜将通过镜面拼接的方式获得更大的通光口径。例如多国合作建设的“三十米望远镜”（TMT）。它由492块小型反射镜片拼接而成，光学直径达到了30米；还有欧洲南方天文台在智利建设中的“欧洲极大望远镜”（E-ELT），它由800块小型反射镜拼接而成，光学直径达到了39米。同时在这些巨型天文望远镜上还采用了自适应光学系统，通过微小改变镜片的型面克服大气扰动对观测的影响。

未来的三十米望远镜TMT

自适应光学系统是利用一束激光制造一个人工星点。观测人工星点受到大气扰动产生的变化，通过细微改变望远镜主反射镜的型面，抵消大气扰动对观测的影响。

因此当某台望远镜的自适应光学系统开始工作时，我们会看到一束明亮的激光射向天空。现今，这种系统已经普遍应用于大型光学天文望远镜中。

来源: 范一天文