本文以開普勒式天文望遠鏡為例講解天文望遠鏡的原理。

1300年前，還是孩童的李白，在一個晴朗的夜晚，看向了月亮，這是一個白色且光滑的圓盤。

兒時不識月，呼作白玉盤

400年前，伽利略使用自制的天文望遠鏡望向了月亮，發現了月亮上的環形山、盆地，她的表面坑坑窪窪，一點都不像人眼所看到的那樣光滑。

為什麼人眼直接看到的月亮與通過天文望遠鏡看到的月亮差别如此大呢？

眼睛之所以能夠看到物體，是因為物體發射或反射的光進入了人眼。既然人眼通過天文望遠鏡看到了環形山，說明環形山反射的光線達到了觀測者，為什麼人眼無法直接看到這些環形山呢？

這可以從兩個方面去解釋：亮度和張角。

首先，說一下亮度。看室内燈時，會覺得其非常亮，甚至刺眼；而看路燈時，卻覺得其非常暗。是路燈比室内燈更亮嗎？單從照明面積去分析，便可得出否定的結論，因為路燈的照明面積比室内燈大得多，需要的亮度自然也就大得多。

那是什麼使室内燈看起來比路燈看起來更亮呢？答案是距離。燈發出的光線形成一個發散的光線球，人眼的大小卻是固定的，離燈泡越遠，進入人眼的光線越少，看起來也就越暗。

物體離人越遠，看起來越暗，當亮度低到一定程度時，人眼就無法看清該物體了。環形山就是這樣，離我們太遠了，反射的光線隻有很少的部分進入人眼，自然也就無法看清它了。

然後，說一下張角。近距離觀察鳥時，它的雙眼反射的光線進入人眼，形成一個張角，當這個張角小到一定程度時，人眼就無法區分這是兩個眼睛了，而将其看成是一體的。

遠距離觀察鳥時，由于距離增大，張角變小，因此，隻能看清鳥的輪廓，無法看清哪裡是眼鏡，哪裡是嘴巴了。

環形山上下兩點反射的光線進入人眼，由于張角太小，人眼是無法識别出環形山的。

天文望遠鏡具備兩個能力：

• 聚光，提高亮度
• 将像拉近，放大張角

将凸透鏡放在陽光下，會形成一個亮斑，這是因為凸透鏡有聚光作用。這個亮斑叫做焦點，焦點距凸透鏡的距離叫做焦距，而太陽距離凸透鏡的距離叫做物距。

科學家發現，當物體離凸透鏡非常遠時，會在凸透鏡另一側，成一個倒立、縮小的實像。如果在此處放一個膠片，膠片就會記錄下該實像，照相機就利用了此原理。

當物體離凸透鏡非常近時，光發散地厲害，經凸透鏡聚光後，仍然是發散的。此時，會在凸透鏡同一側成一個正立放大的虛像，放大鏡就利用了此原理。

天文望遠鏡采用了兩片凸透鏡來制作，第一片透鏡用于觀察天體，稱作物鏡，天體離物鏡非常遠，用于給物體成倒立、縮小的實像；第二片透鏡用于觀察該實像，稱作目鏡，目鏡離物像非常近，用于放大觀察該像。

通過天文望遠鏡觀察月亮時，物鏡收集的光，全部進入人眼。人瞳孔直徑約為3mm，根據圓的面積公式，一個150mm的物鏡，可将亮度提升2500倍。

通過天文望遠鏡觀察月亮時，人眼觀測的是月亮通過物鏡所成的倒立、縮小的實像，這個像離人眼很近，大大提高了張角。

科學家經過計算，天文望遠鏡的放大率約等于物鏡焦距÷目鏡焦距。

天文望遠鏡的物鏡通常是固定的，而目鏡可以更換，以此來得到不同的放大率。理論上，隻要目鏡焦距足夠小，放大率就可以無限大。

但是，物體放大後，會出現一系列問題，如：視場變小、變暗、變形等，這就限制了天文望遠鏡的有效放大率。一般來說，天文望遠鏡的有效極限放大率為Dx2，D為物鏡直徑，單位為mm，一個150mm的物鏡的天文望遠鏡最高放大倍率為300，超過這個就看不清了。

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