大型望远镜镜面技术

大型望远镜镜面技术涵盖了决定望远镜口径的主镜的制造、抛光和主动支撑，从整体式薄弯月形毛坯到六边形分段式拼接镜面。

Definition

大型望远镜镜面技术是指用于生产和维护直径数米或更大、光学形状精度达到观测波长一小部分的初级镜面的材料、制造、支撑和控制方法。

Scope

本主题涵盖大型玻璃陶瓷毛坯的铸造和成形、蜂窝状和薄弯月形轻量化、带有边缘传感器和相位调整的分段式镜面结构、通过执行器保持镜面形状的主动光学系统、镜面镀膜以及用于测试表面精度达到波长几分之一的计量学。

Core questions

• 如何铸造和成形超大型镜面毛坯以达到光学公差？
• 分段式镜面何时优于整体式镜面？
• 如何使镜面形状免受重力、风和温度的影响？
• 如何测试和镀膜镜面？

Key theories

主动光学和形状控制

薄镜面或分段式镜面过于柔韧，无法被动保持其形状，因此执行器阵列利用波前传感的反馈持续校正低阶形状误差。

分段和相位调整

将大口径分成六边形分段可简化制造和运输，但必须使用边缘传感器将这些分段对齐并进行相位调整，使其精度达到波长的一小部分，从而使其作为一个光学表面工作。

轻量化策略

蜂窝背板、薄弯月形和旋铸硼硅酸盐毛坯可减轻质量和热惯性，使镜面迅速达到环境温度，并减轻结构上的负荷。

Clinical relevance

镜面技术是望远镜口径的主要限制因素，因此也限制了其灵敏度和分辨率；分段式镜面和主动光学系统使当今8至10米望远镜成为可能，并且对于目前正在建造的超大型望远镜至关重要。

History

在5米海尔望远镜达到刚性玻璃毛坯的实际极限后，凯克望远镜在20世纪90年代开创了分段式方法，而欧洲南方天文台的新技术望远镜则在薄弯月形镜面上展示了主动光学系统。蜂窝状硼硅酸盐毛坯的旋铸和越来越大的分段阵列现在定义了该领域。

Key figures

• Jerry Nelson
• Roger Angel
• Raymond Wilson

Seminal works

• bely2003
• wilson1999

Frequently asked questions

为什么最大的望远镜是由镜面分段而不是一块大镜面建造的？

单个直径远超八米的镜面会变得极其沉重，难以无缺陷铸造，并且无法运输。将口径分成许多相同的六边形分段，并将其对齐并相位调整成一个表面，可以规避这些限制，这就是为什么超大型望远镜使用数百个分段的原因。

主动光学和自适应光学有什么区别？

主动光学以秒或更慢的速度校正望远镜本身的缓慢、大规模变形，例如重力下垂和热变化。自适应光学则使用下游独立的、小的可变形镜面，以每秒数百次的频率校正大气造成的快速畸变。