仰望苍穹，大“眼睛”有大本事

组装詹姆斯·韦伯望远镜镜头

锋利的工具能做好工作。大口径天文望远镜一直是天文学家追求的利器。

最近，好消息来自长春。中国科学院长春光学精密机械物理研究所承担的“4米高精度碳化硅非球面镜集成制造系统”项目已通过验收。验收专家组认为，该项目已形成大口径系列反射镜的研发能力，是我国大口径光学制造领域的重大技术突破。这意味着中国的深空探测、天文观测系统和空对地观测很可能使用更大口径的国内核心部件——光学反射镜。

那么，大口径望远镜对天文观测意味着什么？镜面晶体有不同的材料可供选择。他们的优点和缺点是什么？涂层技术如何帮助提高观察效率？不同的观察要求对镜子制造提出了什么要求？《科技日报》记者采访了相关专家。

为什么你需要制作大镜头才能看得更远更清楚

作为天文望远镜最重要的组成部分，有些人把用来折射或反射光线的透镜比作望远镜的“眼睛”。望远镜的“眼睛”越大越好吗？

对此，中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所副研究员柏华给予了肯定的回答。她指出，望远镜直径越大，聚光能力越强，可以观察到越暗越弱的天体，望远镜的空间分辨率也越高，可以观察到更多的天体细节。

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所副所长张学军表示，为了提高光学望远镜的分辨率，科学家们对大口径望远镜的追求是无止境的。

在光学望远镜中，能够区分两幅相邻图像的极限分辨率角度越小，分辨率越高。极限分辨率角度由光的波长和望远镜主镜的直径决定。在相同的波长下，主镜的直径越大，极限分辨率角度越小，这意味着可以清楚地看到较小的物体。

事实上，自从伽利略在1609年使用天文望远镜观察恒星以来，望远镜已经发展到更大的口径。越来越大的“眼睛”逐渐提高了光学系统的观察能力。

例如，张学军说直径为2.4米的哈勃太空望远镜已经观测到离地球134亿光年的深度。口径为3.67米的AEOS地基望远镜可以探测到低地球轨道上0.1米大小的碎片。直径超过3米的锁眼12(KH-12)卫星相机与地面的分辨率为0.1米。

为了获得更大直径的望远镜，科学家们开发了一种镜面拼接技术，将几个直径较小的透镜拼接在一起，只使用直径较大的透镜就能达到观察效果。柏华说，这项技术使建造8米以上的光学望远镜成为可能。

哪些强微晶玻璃和碳化硅在镜面毛坯材料方面有自己的优势？

虽然我们听说过许多不同的天文望远镜的名字，但总的来说，它们可以大致分为三种类型:折射型、反射型和反射折射型。当前主流和先进的望远镜形式是什么？

柏华说，总的来说，目前用于天文观测的大型望远镜主要是反射式望远镜。这主要是因为反射式望远镜的孔径可以做得更大，并且观察波段的限制更少。一般来说，镜面加工精度越高，膜层的反射率越高，越有利于观察，但也要权衡使用和成本。

事实上，不同的科学目标对望远镜的功能有不同的要求。例如，柏华说红外望远镜对制冷有很高的要求。天空观测望远镜需要大视场进行观测，精密测量望远镜需要高分辨率。对于空间望远镜，要求反射镜质量更轻，热稳定性更好，因此对反射镜的加工制造也提出了更高的要求。其中，镜坯制造、镜面抛光和镜面镀膜技术都是重要环节。

目前，用于制造镜子毛坯的材料主要有微晶玻璃、熔融应时、碳化硅、硼硅酸盐、金属铍等。柏华认为这些材料有自己的优势。

微晶玻璃和熔融应时具有悠久的使用历史和成熟可靠的技术。它们仍然是地面和空间光学红外望远镜的主要材料。硼硅酸盐也常用于大口径地面望远镜，具有热膨胀系数小等特点，但其比刚度仅为碳化硅的四分之一。

碳化硅反射镜具有比刚度高、热稳定性好的优点，但由于其硬度高，很难抛光，需要高抛光技术。碳化硅反射镜毛坯用于美国3.5米赫歇尔空间红外望远镜。

铍镜热容量大、比刚度高、重量轻，但铍有一定的毒性，制造困难，价格昂贵。铍镜用于斯皮策太空红外望远镜和詹姆斯·韦伯太空望远镜。

正是基于碳化硅材料的特性，张学军带领团队找到了一种新的方法。经过数百次实验和工艺验证，他突破了镜坯制备的许多关键技术，建立了大口径碳化硅镜坯制造平台。他们先后开发了2米、2.4米和3米单碳化硅镜坯和4米整体碳化硅镜坯，可用于可见光成像。后者也是目前公开报道的最大口径整体碳化硅镜面毛坯。

制造大“眼睛”的秘密是什么？抛光涂层并不短缺。

对观察者来说，望远镜越大越好。然而，对于反射器开发者来说，口径每增加一个数量级就意味着更大的挑战。

为了保证望远镜的分辨率和成像质量，光学系统对反射镜的表面精度有严格的要求，不会随着孔径的增大而降低。

以一个直径为4米的碳化硅镜面毛坯为例，张学军说，它的表面形状精度相当于北京大小的一块土地平整后，东南角和西北角之间的高度差在十分之几毫米之内。在如此高的精度要求下，必须保证结构的稳定性。

为此，长春光学研究所采用计算机控制光学表面成形技术，通过采用“应力盘”抛光和磁流变抛光等组合加工技术，大大提高了非球面的制造精度和效率。

镜面经过光学抛光后，涂层是提高其反射面反射率的重要部分。对于反射镜，目前的涂层技术已使单个反射镜的反射率在宽带内达到98%。例如，双子座望远镜在2004年在主镜面上镀了一层新的保护性银膜，在一个宽带内平均反射率超过95%。

中国的涂层技术水平如何？柏华说，南京天文光学技术研究所是世界上开发高反射率薄膜的领先公司之一。它设计并镀有紫外线增强的银和金薄膜，在340-1500纳米波段的平均反射率为98%。该技术已成功应用于郭守敬望远镜(LAMOST)光谱仪。对于单个折射透镜，在更宽的波段内透光率可以达到90%以上。

随着技术的不断进步，人们不断开发更强大的望远镜。张学军表示，未来他们开发的大口径碳化硅反射镜将越来越多地应用于各种中国制造的大口径光电设备，让中国人的眼睛能够更深入地观察宇宙。