牛頓對於天文學的觀測十分渴望，而且這種觀測是必須要用望遠鏡的，牛頓隻能去改進伽利略和開普勒型的望遠鏡。
牛頓在經過多次研製非球麵的透鏡都不成功後，才決定用球麵反射鏡作為望遠鏡主鏡。
他把25厘米直徑的金屬磨製成一個凹麵反射鏡，並在主鏡的焦點前放了一個與主鏡成45度角的反射鏡，使經主鏡反射後的會聚光經反射鏡後以90度角反射出鏡筒後到達目鏡。
所有的巨型望遠鏡大多屬於反射望遠鏡，牛頓望遠鏡為反射望遠鏡的發展輔平了道路。
牛頓反射望遠鏡采用拋物麵鏡作為主鏡，光進入鏡筒的底端，然後折回開口處的第二反射鏡（平麵的對角反射鏡），再次改變方向進入目鏡焦平麵。
目鏡為便於觀察，被安置靠近望遠鏡鏡筒頂部的側方。
牛頓反射望遠鏡用平麵鏡替換昂貴笨重的透鏡收集和聚焦光線，從而使您的每一分錢更加多的光線會集的力量。
牛頓反射望遠鏡係統使您能擁有焦距長達1000而仍然相對地緊湊和便攜的望遠鏡。
因為主鏡被暴露在空氣和塵土中，牛頓反射器望遠鏡要求更多維護與保養。
然而，這個小缺點不阻礙這個類型望遠鏡的大眾化，對於那些想要一台價格經濟，但仍然可以解決觀測微弱，遙遠的目標的用戶來說，牛頓反射望遠鏡是一個理想的選擇。
由於光學係統的原理，牛頓望遠鏡的成像是一個倒像，倒像並不影響天文觀測，因此牛頓反射望遠鏡是天文學使用的最佳選擇。
通過正像鏡等附加鏡頭，可以將圖像校正過來，但會降低成像質量。
牛頓望遠鏡的光學設計結合了施密特攝星儀和牛頓式反射望遠鏡的元素。
這個係統將牛頓式反射望遠鏡的拋物麵鏡換成球麵鏡，因而產生了球麵像差。
但就像施密特卡塞格林望遠鏡一樣，使用施密特修正板予以修正。
次鏡則承襲牛頓式反射望遠鏡采用橢圓形的平麵斜鏡。
哈雷也需要牛頓的望遠鏡，對這個偉大的工程讚歎不已。
但是胡克看到之後，依然挑毛病的說“倒是大，焦距大到一米，比透鏡成本低，但是不適合在地麵上使用，需要在太空真空下才可用。”
牛頓說“由於焦比普遍較短，更容易的獲得較大的視野，具有較好的微弱深空天體觀測性能，例如遙遠的星係、星雲和星團。”
胡克說“容易產生彗形像差，造成影樣偏離軸心擴散的變形現象。這種擴散在光軸上為零，隨著鏡子的視域呈線性的增加，也與焦距除以口徑的焦比的平方反比來擴散。”
牛頓說“長焦距的望遠鏡可以獲得卓越的行星外觀，具有較好的月球和行星的觀測性能。”
胡克說“副鏡在光路的中間，會遮擋部分光線，反射鏡的支撐結構還會使星像形成衍射星芒，並且降低銳度和反差。”
牛頓說“想要觀測全貌，隻能是移動一下了。”
胡克說“校準是個問題。主鏡和副鏡的準直性會因為運輸和操作時的震動而偏離，這意味著望遠鏡可能在每次使用前都需要校準。”
牛頓說“沒錯，這確實如此，但是也是有了巨大的進步了。”
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