牛頓式反射望遠(yuǎn)鏡（英文名：Newtonian reflector）是反射式望遠(yuǎn)鏡的一種，是牛頓在1668年發(fā)明的。
牛頓式反射望遠(yuǎn)鏡是由凹面主鏡，平面副鏡和天文望遠(yuǎn)鏡目鏡組成的。牛頓反射鏡最主要結(jié)構(gòu)是凹面主鏡，它的作用是將來自于遙遠(yuǎn)天體的光線匯集，之后反射于平面副鏡上。平面副鏡的作用是將反射回來的光折入調(diào)焦座中以同目鏡對(duì)焦。通過眼鏡觀察目鏡即可看到被放大的天體物像。天體的光從鏡筒開口處（右側(cè)）射入，在鏡筒底部（左側(cè)）受到一塊凹面主鏡的反射而匯聚，匯聚的焦點(diǎn)本來位于右邊鏡筒開口附近，牛頓在焦點(diǎn)前面安裝了一個(gè)小巧的平面鏡（被稱為副鏡），以45°角把光線從側(cè)面以90°反射了出去，在側(cè)面安裝天文望遠(yuǎn)鏡目鏡進(jìn)行觀測(cè)。
由于牛頓式反射望遠(yuǎn)鏡采用凹面反射鏡作為物鏡，而凹面鏡可以用金屬材料制造，從而突破了口徑的瓶頸。因此，牛頓式反射望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明是望遠(yuǎn)鏡技術(shù)發(fā)展里程中的一次重要飛躍。
歷史沿革
牛頓經(jīng)過多次磨制非球面的透鏡均告失敗后，決定采用球面反射鏡作為主鏡。1668年，牛頓發(fā)明的反射望遠(yuǎn)鏡主要是在主鏡反射光束中加一塊平面鏡，與主鏡光軸交角45°，使光束折轉(zhuǎn)90°，從而使天體像成于鏡筒外側(cè)，便于觀測(cè)。1672年，牛頓又制成了一種新的反射望遠(yuǎn)鏡，一般稱為牛頓望遠(yuǎn)鏡，口徑僅2.5cm，全長(zhǎng)不過15cm，但具有光力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可以放大40倍，成像清晰，可與2m長(zhǎng)的折射望遠(yuǎn)鏡媲美，現(xiàn)仍保存在倫敦皇家自然知識(shí)促進(jìn)學(xué)會(huì)作為珍品收藏。
結(jié)構(gòu)及原理
牛頓式反射望遠(yuǎn)鏡是由凹面主鏡，平面副鏡和天文望遠(yuǎn)鏡目鏡組成的。牛頓反射鏡最主要結(jié)構(gòu)是凹面主鏡，它的作用是將來自于遙遠(yuǎn)天體的光線匯集，之后反射于平面副鏡上。平面副鏡的作用是將反射回來的光折入調(diào)焦座中以同目鏡對(duì)焦。通過眼鏡觀察目鏡即可看到被放大的天體物像。
天體的光從鏡筒開口處（右側(cè)）射入，在鏡筒底部（左側(cè)）受到一塊凹面主鏡的反射而匯聚，匯聚的焦點(diǎn)本來位于右邊鏡筒開口附近，牛頓在焦點(diǎn)前面安裝了一個(gè)小巧的平面鏡（被稱為副鏡），以45°角把光線從側(cè)面以90°反射了出去，在側(cè)面安裝天文望遠(yuǎn)鏡目鏡進(jìn)行觀測(cè)。
優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)
牛頓式反射望遠(yuǎn)鏡的最大優(yōu)點(diǎn)在于相同口徑時(shí)比折射望遠(yuǎn)鏡便宜，而且由于光線不進(jìn)入玻璃的內(nèi)部，也就沒有色差。
缺點(diǎn)
牛頓式反射望遠(yuǎn)鏡的缺點(diǎn)是副鏡的擋光會(huì)降低成像的反差，目鏡在鏡筒的前端使用也不夠方便，長(zhǎng)途運(yùn)輸時(shí)的震動(dòng)還會(huì)改變主鏡和副鏡光軸的相對(duì)位置，需要經(jīng)常的調(diào)整。
使用
牛頓式反射望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易獲得較大的口徑，是天文愛好者尤其是目視愛好者最廣泛使用的望遠(yuǎn)鏡類型之一。但是，由于運(yùn)輸、搬運(yùn)、架設(shè)等因素，導(dǎo)致牛頓式反射望遠(yuǎn)鏡的光軸出現(xiàn)偏移，每次使用前都需要進(jìn)行校準(zhǔn)，否則將影響望遠(yuǎn)鏡性能的發(fā)揮。目前，主要的光軸校準(zhǔn)方法有校準(zhǔn)目鏡法、激光校準(zhǔn)器法、星點(diǎn)法等。其中激光校準(zhǔn)器法簡(jiǎn)單、直觀，可單人在夜間完成，是最簡(jiǎn)單快捷的方法。但由于激光校準(zhǔn)器自身的精度不穩(wěn)定，導(dǎo)致應(yīng)用的實(shí)際效果大打折扣。
誤差及其校準(zhǔn)原理
激光校準(zhǔn)器的基本構(gòu)造包括金屬圓筒、激光器以及緊固/校準(zhǔn)螺絲三個(gè)部分，日常使用時(shí)利用緊固/校準(zhǔn)螺絲保持、調(diào)整激光器與金屬圓筒的同軸性。由于受機(jī)械精度、震動(dòng)等因素的影響，這種同軸性需要經(jīng)常檢驗(yàn)和調(diào)整，使激光器光軸與金屬圓筒中軸線重合。
基于這種構(gòu)造，在投影平面上產(chǎn)生的誤差有兩種情況，即光軸與中軸相交或平行。無論是出現(xiàn)哪種情況的誤差，當(dāng)激光器繞中軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，投射出的光斑都會(huì)形成一個(gè)以中軸線與投影面交點(diǎn)為中心的圓。如果我們能夠消除這個(gè)“圓”，使光斑與“圓心”重合，困擾我們的校準(zhǔn)問題也就解決了。這就是校準(zhǔn)的基本原理。根據(jù)這個(gè)基本原理，校準(zhǔn)裝備包括一個(gè)基座和一個(gè)投影面，其中基座用于支撐激光器并使其能夠穩(wěn)定地繞中軸線旋轉(zhuǎn)，投影面則用來顯示光斑的軌跡。基座和投影面之間有一段距離，稱為基線，假設(shè)基線長(zhǎng)度為L(zhǎng)。第一種誤差（相交）形成的投影圓半徑為：R=Ltanα，即基線越長(zhǎng)，R越大，誤差放大的程度越高，系統(tǒng)的校準(zhǔn)精度越高；第二種誤差（平行）形成的投影圓半徑為R=d，即誤差的放大程度與基線長(zhǎng)短無關(guān)，但第二種誤差在出現(xiàn)微小的擾動(dòng)（如校準(zhǔn)螺絲微小的旋轉(zhuǎn)）時(shí)就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榈谝环N誤差，因此可以認(rèn)為在現(xiàn)實(shí)中第二種誤差不存在。綜上，基線的長(zhǎng)度決定了校準(zhǔn)的精度。在激光校準(zhǔn)器工作時(shí)，校準(zhǔn)器插入調(diào)焦座，置于焦點(diǎn)附近，激光照射到主鏡后再返回激光器，整個(gè)工作光路長(zhǎng)度大約為2f（f為反射鏡焦距），因此基線L的長(zhǎng)度不應(yīng)小于2f，才能保障校準(zhǔn)的基本精度要求。
校準(zhǔn)裝備制作
基座
基座是整個(gè)校準(zhǔn)裝備的重要組成部分，其作用是使激光器能穩(wěn)定地繞中軸線旋轉(zhuǎn)，筆者采用了簡(jiǎn)易V形支撐結(jié)構(gòu)。如圖3所示，該基座由一塊木板和四顆鐵釘構(gòu)成的兩個(gè)V字形支撐組成。V字形支撐的制作要把握兩個(gè)要點(diǎn)：一是鐵釘要稍微粗些，以保證剛性；二是兩個(gè)V字形結(jié)構(gòu)的間距要根據(jù)自己的激光器結(jié)構(gòu)把握好，應(yīng)使V字結(jié)構(gòu)的某個(gè)部位能夠貼合激光器的特定部位，避免在旋轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)前后位移。或者在側(cè)前方補(bǔ)上一顆釘子，使得激光器旋轉(zhuǎn)時(shí)與其貼合。這里要特別注意，在旋轉(zhuǎn)時(shí)激光校準(zhǔn)器不能出現(xiàn)前后位移。
投影面
投影面的制作更為簡(jiǎn)單，只需在墻面上貼一張白紙作為靶紙即可，盡可能保證紙張的平整。
裝備檢驗(yàn)
準(zhǔn)備就緒后，需對(duì)整個(gè)校準(zhǔn)裝備自身進(jìn)行檢驗(yàn)。校準(zhǔn)裝備的檢驗(yàn)也很簡(jiǎn)單：
1、標(biāo)記激光校準(zhǔn)器在基座上的位置，打開激光器，在投影面上記錄其光斑位置。
2、在基座上旋轉(zhuǎn)激光器一周，回到原來標(biāo)記的位置，檢驗(yàn)光斑是否還能還原到先前的位置。如果無法回到原來的位置，可能是由V字形結(jié)構(gòu)剛性不夠、旋轉(zhuǎn)時(shí)基座出現(xiàn)了位移、旋轉(zhuǎn)時(shí)激光器出現(xiàn)了前后位移等原因造成的，需要仔細(xì)查找原因并進(jìn)行調(diào)整。
激光校準(zhǔn)器校準(zhǔn)
校準(zhǔn)裝備制作完成后，就可以實(shí)施激光核準(zhǔn)器的校準(zhǔn)了。
固定基座
在底座上貼點(diǎn)雙面膠，粘到桌子上，避免不經(jīng)意碰撞導(dǎo)致位移。
貼投影面
打開激光器，旋轉(zhuǎn)，根據(jù)光斑的位置在墻面上貼好投影靶紙。
記錄誤差軌跡
旋轉(zhuǎn)激光器，在靶紙上記錄投射點(diǎn)。
調(diào)整校準(zhǔn)
以圓形軌跡的圓心（粗略估計(jì)即可）作為校準(zhǔn)的目標(biāo)點(diǎn)。然后，調(diào)整激光器的三顆校準(zhǔn)螺絲使光斑投射到目標(biāo)點(diǎn)上。校準(zhǔn)螺絲的使用也有一定的技巧，不能漫無邊際地亂擰。首先，旋轉(zhuǎn)激光器使其中一顆校準(zhǔn)螺絲大致處于垂直于水平面的狀態(tài)，這時(shí)光斑相對(duì)于目標(biāo)點(diǎn)的位置，就可反映出螺絲調(diào)節(jié)的方向。如果光斑偏上，那就需要松上螺絲，緊左螺絲和右螺絲；如果光斑偏左，就松左螺絲，緊右螺絲。如果偏右，就松右螺絲，緊左螺絲。把握松和緊的程度也需一些技巧，如果偏差比較大，就先松再緊，而且緊的時(shí)候留點(diǎn)余地，避免緊過度了不易回頭；如果偏差已經(jīng)比較小，就盡量不要松相應(yīng)的調(diào)節(jié)螺絲。
重復(fù)步驟3和4，直至旋轉(zhuǎn)激光器時(shí)光斑位置不變。
在實(shí)際校準(zhǔn)時(shí)，要做到光斑完全不動(dòng)幾乎不可能，因?yàn)楣獍弑旧硎且粋€(gè)不規(guī)則的面，當(dāng)精度達(dá)到一定的程度后，我們追求的是圓心位于這個(gè)面內(nèi)，這時(shí)候就很難再進(jìn)一步校準(zhǔn)，這個(gè)基線長(zhǎng)度下的校準(zhǔn)就到此為止了。所以這個(gè)光斑越圓、越小，就越有助于校準(zhǔn)。高質(zhì)量的激光器可以做到1mm光斑，有利于更好的校準(zhǔn)。
價(jià)值意義
由于牛頓式反射望遠(yuǎn)鏡采用凹面反射鏡作為物鏡，而凹面鏡可以用金屬材料制造，從而突破了口徑的瓶頸。因此，牛頓式反射望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明是望遠(yuǎn)鏡技術(shù)發(fā)展里程中的一次重要飛躍。
相關(guān)事件
2025年1月，河南鄭州一名14歲的初中生叫馬俊鶴，在物理實(shí)踐課上偶爾學(xué)習(xí)到望遠(yuǎn)鏡的制作方法后，他想制作一個(gè)屬于自己的天文望遠(yuǎn)鏡。馬俊鶴的零花錢有限，除了鏡片是網(wǎng)購(gòu)的之外，其他材料全靠東拼西湊，鏡筒用別人不要的塑料管，鏡架拆了自己的架子鼓，失敗了十幾次，最終用幾十元的成本做出了牛頓反射式望遠(yuǎn)鏡，還能清晰看到月亮表面。
參考資料 >
牛頓反射望遠(yuǎn)鏡.故宮博物院.2024-08-16
天文學(xué)名詞.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái).2025-01-19
【科普時(shí)間到】—人眼的延伸——如何看清世間萬物？.中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所.2025-01-19
為什么牛頓反射望遠(yuǎn)鏡從側(cè)面看?.北京天文館.2025-01-19
望遠(yuǎn)鏡博覽.中國(guó)科普博覽.2025-01-19
大參考.新浪微博.2025-01-19