相信大家都看到过酷似甜甜圈的黑洞照片，那么一定会有人问，黑洞不是可以把光都吸入吗，科学家们是怎么拍到照片的呢？任何成像光学系统都有其特点，我们从简单的人眼成像开始说起：

　　眼睛

　　人眼就好比一架神奇的照相机，晶状体相当于照相机里的变焦镜头，睫状肌相当于变焦镜头的调节器，通过调节晶状体的屈光度，使远处和近处物体的像恰好落在视网膜上，从而看清各种各样的物体。

图：人眼的结构

　　图源：眼管家网站

　　但是长时间近距离地看东西时，会导致睫状肌的弹性发生变化，收缩的睫状肌得不到有效放松与复原，致使其不能随意调节晶状体的屈光度，当平行的光线经过人眼屈光系统后成像焦点会落在视网膜之前，形成模糊的像，从而导致看东西不清楚，也就是所说的近视。

图：正常与近视成像原理图

　　图源：爱尔眼科医院

光学系统 

 　　对于实际的光学系统而言，由非近轴光线追迹所得的结果和近轴光线追迹所得的结果不一致，与高斯光学（近轴光学）的理想状况有一定的偏差，也就造成了像差。

　　按照几何光学，当没有像差时，光学系统可以理想成像为一个几何像点，但是由于光的波动性，物点经透镜后在像平面上得到一个以几何像点为中心的衍射圆斑。当一个爱里斑（明暗相间的圆形光斑）的边缘与另一个爱里斑的中心正好重合时，对应的两个物点刚好能被人眼或光学仪器所分辨，这个判据称为瑞利判据。

图：瑞利判据示意图

　　由于黑洞距离地球很远，根据瑞利判据，当可分辨的光线角度非常小时，需要很大的望远镜口径D，这是很难实现的，于是利用一种基于射电望远镜的甚长基线干涉技术（VLBI），通过使用多个天文望远镜同时观测一个天体，模拟一个大小相当于望远镜之间最大间隔距离的巨型望远镜的观测效果。

　　望远镜

　　那么望远镜是怎样将人类的视觉延伸到极遥远外的呢？

　　它的第一个作用是放大远处物体的张角，使人眼能看清角距更小的细节；第二个作用是把物镜收集到的比瞳孔直径（最大8毫米）粗得多的光束，送入人眼，使观测者能看到原来看不到的暗弱物体。

　　人们最早发明的折射式望远镜，例如伽利略望远镜和开普勒望远镜，他们均通过透镜的折射实现了光强的增加和角度的增大。折射光学系统一般在视场要求大、分辨率要求低、焦距较短及通光口径要求不大的情况下使用，该光学系统具有无中心遮拦，光学设计简单，较容易装调的优点，但这种早期的望远镜也由于光线的折射存在一定的色差。

图：伽利略与开普勒望远镜光路图

　　为了消除该色差，人们又发明了一种反射式望远镜，例如牛顿望远镜。反射光学系统不存在任何色差，可用于宽谱段成像，特别适用于长焦距相机和光谱成像相机。一般的大尺寸光学系统必须用纯反射式光学系统，结构紧凑，所需光学元件少，同时也便于用反射镜折叠光路。

图：牛顿式反射望远镜极其原理图

　　图源：玻璃视界

　　但无论是折射式还是反射式望远镜，均属于光学望远镜，工作波长在可见光范围内，波长较短，易被大气散射，故很难观察到清晰的图像，因此就有了工作范围在红外波段或者微波段的望远镜，即射电望远镜。射电望远镜的原理和光学反射望远镜相似，投射来的电磁波被一精确镜面反射后，同相到达公共焦点。用旋转抛物面作镜面易于实现同相聚焦，因此，射电望远镜天线大多是抛物面。

　　连续孔径射电望远镜是射电望远镜的一种最简单的类型，它的灵敏度和分辨率由天线孔径的实际尺寸和形状决定。这类望远镜的天线孔径可以有各种形状，如通常的抛物面、球面、抛物柱面、抛物带形反射面等。

　　非连续孔径射电望远镜主要是各类射电干涉仪，是以干涉技术为基础的各种组合天线系统，通常由多个天线组成。这种望远镜的分辨率由天线范围的外尺寸决定， 总的灵敏度则取决于全部天线单元面积的总和，VLBI技术便是基于该种类型的射电望远镜。

图：“ 中国天眼”FAST 射电望远镜

　　图源：物理通报 2017年第11期

　　上图为全球最大的单天线射电望远镜——“ 中国天眼”， 坐落于贵州省平塘县，是我国在射电天文前沿的重大原创突破。望远镜由主动反射面系统、馈源支撑系统、测量与控制系统、接收机与终端、以及观测基地等几大部分构成。其主动反射面由4450个反射单元组成口径500ｍ的球冠状反射面，观测时会通过主动控制在观测方向形成300ｍ口径瞬时抛物面以汇聚电磁波。FAST是目前世界上最大、最灵敏的单孔径射电望远镜。

　　显微镜

　　与望远镜相比，显微镜则将人类的视觉延伸到了极细微处，让人们领略到奇妙的微观世界。

　　根据成像原理的不同，显微镜可分为光学显微镜和电子显微镜。光学显微镜使用光学玻璃作为透镜来获得物体的放大图像，而电子显微镜使用强磁场作为透镜，前者使用的是可见光，后者使用的是电子束，电子束的波长比可见光的波长短，所以电子显微镜的分辨率远高于光学显微镜。

　　对于不同的成像系统，会产生不同的放大倍数，光学显微镜一般最大为2000×，电子显微镜则可高达数十万倍。光学显微镜仅能观察到表面微细结构，电子显微镜可获取晶体结构、微细组织、化学组成、电子分布情况等。

图：香港大学电子显微镜图像显示了在细胞中生长的新型冠状病毒

　　图源：中国新闻网

　　参考文献：

　　[1]张岚.探测宇宙深空的天眼——射电望远镜[J].物理通报,2017(11):126-128.

　　[2]冯学贵.可展开空间望远镜次镜对准检测技术研究[D].中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所),2012.

　　[3]射电望远镜——观测宇宙的另一扇“窗”[J].发明与创新(综合科技),2013(04):43.