文|树洞档案

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前言

太空望远镜操作简单，只有一个焦点，但对于地面望远镜来说，具有多个焦点的配置增加了灵活性。

它提供了几种f比和仪器安装接口大小的选择，并允许一个仪器保持安装在望远镜上，而另一个仪器被使用在一个不同的焦点，然而，焦点的数量越多，望远镜的结构和控制系统就会越复杂。

望远镜排列所需的反射镜的数量随望远镜的配置而不同，但通常在5到7面之间，因此，该聚焦的主要缺点是其吞吐量低，特别是在较低的波长。

f比的选择

对于每个望远镜的焦点，选择f比，特别是对于主镜，可以说是在望远镜设计中面临的最困难的决定。

这是因为这种f-ratio的选择会对整个天文台系统产生影响：光学系统、望远镜结构、控制系统、仪器、穹顶和建筑，所有这些都将受到影响。

由于天文台的成本受到望远镜管长度的强烈影响，无论是在地面上还是在空间中，人们都倾向于在技术上尽可能快地拥有主镜。

快速光学过去很难制造，但在过去的30年里，在计算方法方面取得了巨大的进展，主镜的f比也急剧下降，因此，对初选速度的限制现在主要是由二次镜像位置上的公差所驱动的。

选择最终的卡塞格伦或内斯密斯的f-比率也涉及到一些权衡，选择将取决于望远镜是打算被衍射限制还是看到限制。其他因素也在起作用。

一般来说，较慢的f比会减小二级管的尺寸和质量，延长管，但只会稍微增加仪器入口光学的尺寸，增加摄谱仪准直器的焦距，就可以使其整体更大，从而增加用于图像运动补偿的光束转向镜的尺寸。

探测器的分辨率

无论是直接获得还是通过中继光学获得，焦平面平板尺度都必须适应探测器的空间和噪声特性，以优化灵敏度或空间分辨率。

为了便于论证，我们假设探测器的像素大小是一个给定的，并且我们想要找到最优的平板尺度，也就是说，探测器被放置的焦点的最优f-比。

这个问题可以根据所执行的观察结果的类别进行分解，在明亮物体的高空间分辨率成像的情况下，探测器噪声不再是一个因素，而是通过过采样图像的增益。

然而，探测器的大小在实际应用中是有限的，这反过来又对过采样设置了限制，因为它是以野外为代价的。

在灵敏度是原始的情况下，最佳的平板尺度将是那些最小化暴露时间的期望信噪比。

这种最佳状态取决于光源的固体角度和探测器的暗电流和读出噪声，但它通常会对应于一些欠采样，采样不足的问题是空间分辨率的损失和“混叠”。

当采样小于奈奎斯特限制时，就会发生混叠，因为探测器无法区分几种可能的空间频率，其结果是，在低空间频率下，信号中的噪声增加。

一种可以用来减轻欠采样图像中空间分辨率损失的技术是“抖动”，这包括在同一场进行几次曝光，视线是一个像素的分数。

然后，亚曝光被重新输入和添加，允许恢复光学所提供的大部分空间分辨率。

这种技术特别适用于空间观测，在任何情况下，曝光必须分解为短的个人曝光，以限制宇宙射线的影响。

在这种情况下，信噪比没有损失，在历史上，当使用照相板时，最佳分数不是由晶粒大小设定的，而是由摄影速度设定的，问题是感光板的灵敏度很差，使用理想的f比会导致禁止的曝光时间。

镜面空白材料

镜面基板材料必须满足许多重要的条件。

玻璃样材料一般比金属材料需要更好的抛光，前者的剩余微粗糙度为5-12?arms范围，后者为10-20?a范围，裸铝除外。

裸铝残余微粗糙度约为50?Arms，这对于红外应用是可以接受的，但如果不是，它可以覆盖镍合金，以获得优良的完成面。

因此，所有这些材料都可以成为优秀的镜子，尽管它们在两个重要的领域有显著的不同：刚度和热行为。

对于大型望远镜来说，无论是在地面上还是在太空中，质量显然是一个重要的问题，因此，镜子的设计通常是为了使在给定环境下的质量最小化。

在地面上，重力是主要因素，必须控制镜子的变形，在空间中，最小固有频率通常是为了承受发射过程中的声载荷和满足轨道上的操作约束的标准。

无论空白的形状和内部结构及其支撑系统的特点如何，一般规则适用：自载荷和基频下的偏转是杨氏模量7E与材料密度ρ之比的函数。

镜面材料必须满足的另一个重要条件是，它对热变化的敏感性极低，在地面上，热变化发生在夜间清晨，当镜子试图与夜间空气温度达到平衡时，整个晚上也会随着温度下降。

在空间中，热变化是由于地球周期性的太阳日食或重新指向后天文台相对于太阳的方向的变化，只要镜面材料是均匀的和各向同性的，体温度的变化就会影响焦距，而不影响图形。

一般来说，更麻烦的是镜面前后表面之间的温度梯度或整个直径之间的温度梯度，这两者都可以影响焦距和图形，由于材料的热膨胀系数α较低，这些热效应显然会较小。

如果镜子配备了热控制系统，以保持镜子的体积温度接近预测的或实际的夜间温度，那么更高的热扩散率的优势将显著提高。

作镜底最常见的材料

低膨胀硼硅酸盐玻璃，它们都是大型望远镜镜子的习惯材料，它们现在已经主要被超膨胀陶瓷或熔融硅所取代，它们具有同样良好的抛光性能，但热膨胀系数要低100倍。

然而，如果温度的影响可以通过主动热控制来最小化，硼硅酸盐玻璃提供了通过直接蜂窝铸造来轻称重的可能性，以及更低的成本的附加优势。

这种方法由Angel提出，已经成功地应用于几个大型望远镜，对于与零膨胀陶瓷弯月板相同的质量，蜂窝状硼硅酸盐镜将会更硬，随着细胞内的空气循环，由于温度梯度而引起的变形可以降低到一个可接受的水平。

超低膨胀（ULE）熔融二氧化硅是康宁公司生产的一种产品。

它采用掺杂钛的熔融二氧化硅，其在室温下的膨胀系数比纯熔融二氧化硅低20倍，它是直径约1.2米的“束”，通过组装球可以制造更大的固体镜子。

利用分段面板和内部肋的切割板，然后在约1500?C部分重熔融合成整体镜，轻称重也可以通过水射流过程铣削固体坯料来实现，当通过融合段制作一个大镜时，不同段之间的CTE差异可能导致光学表面扭曲。

这可以通过根据测量的cte最佳地定位各个段来最小化，超低膨胀熔融二氧化硅具有一种有用的特性，其CTE与材料中的声速具有良好的相关性，因此一块ULE的CTE可以在现场测量，精度为十亿分之一。

低热膨胀玻璃陶瓷，商标为瑞士（欧文斯-伊利诺斯州，现已废弃）、泽罗杜（肖特）和俄罗斯（俄罗斯），是通过在玻璃熔体中加入结晶成核剂而生产的。

这些分离玻璃是两相材料，其中可以设置晶体相（负CTE）和非晶相（正CTE）之间的平衡，以在给定的温度范围内最小化整体CTE。

基板被铸成玻璃态，冷却到环境温度，预加工，并在陶瓷化过程中重新加热，以刺激晶体生长。

为了减少残余应力，在整个过程中必须将热梯度控制到高精度玻璃陶瓷很难铸造成复杂的形状，如蜂巢。

这是因为在模具表面旁边形成了一个结晶层，其膨胀系数不同于陶瓷的其他部分，在冷却过程中导致高应力和断裂，任何轻称重都必须用常规或水喷射毫升完成。

合成材料结构

碳化硅（碳化硅）的商品名称，是最坚硬的合成材料之一，它具有优异的热扩散率和较高的比刚度，使其成为切割二次镜等动态应用的最佳材料之一。

裸碳化硅在极紫外波长下也具有良好的反射率，因此很难找到合适的反射涂层。有几种生产方法，一些生产纯碳化硅，而另一些与其他材料产生碳化硅基质，通常是元素碳或硅。

在纯碳化硅形式中，最常用于镜面坯料的生产方法是“化学气相沉积”（CVD）工艺，该工艺包括在石墨芯棒上沉积气体化学物质，然后被浸出。

反应结合碳化硅是通过在牺牲模具中铸造碳化硅颗粒浆，烘烤铸件烧掉模具材料，熔融颗粒，然后加入熔融的硅，形成70-85%碳化硅的固体结构。

这产生了一种具有非常好的材料性能的固体材料，尽管比刚度没有CVD形式高，很难将反应键碳化硅抛光到比20?a更好的表面，因此有时使用纯硅或CVD碳化硅涂层来提供容易抛光的表面。

可以将反应键碳化硅铸成复杂的形状，包括具有连续前后片的蜂窝夹层结构。

另一种形式的碳化硅基体可以通过将熔融硅渗透到一团切碎的碳纤维中而产生，这些碳纤维反应形成碳化硅。

这种材料被称为C/SiC（发音为“贝壳”），在渗透前，可以通过机械加工和焊接形成蜂窝夹层结构等复杂的形状。

一般来说，碳化硅是易碎的，而这种材料的轻质镜面是极其脆弱的，目前，使用这些生产方法的碳化硅镜坯的最大尺寸约为1米。

铍是最轻、最硬的金属之一，其膨胀系数高于玻璃镜面材料，但比刚度和热扩散系数较高，这使得当需要非常低的面积密度时，它成为一个突出的选择，如空间应用或地面望远镜上的镜子。

铍镜不能通过铸造来制造，因为金属在熔化过程中失去了强度，这是由于在凝固过程中形成了一个不均匀的、双的（大的、小的）的晶粒结构，为了达到最高的强度，铍必须有一个细粒度的结构。

铝的主要优点是成本低、导热性高，但是铝的高热膨胀系数既需要在空间应用中进行温度控制，也需要对地面望远镜的主动或自适应光学进行后校正。

裸铝太软，无法抛光，通常覆盖上化学镍，这使得铝难以用于低温应用，因为镍和铝之间的膨胀系数的差异会导致在冷却过程中发生较大的变形。

根据退火和所使用的合金类型，空白可能长期表现出尺寸不稳定，但如果在主动光学系统中使用镜子，这应该是很容易纠正的。

总结

虽然镍涂层铝迄今为止已被避免用于地面光学望远镜的应用，但它可能成为主动光学系统的一个杰出的选择。

这是因为它的高CTE不再是一个问题，因为热诱导的变形会被主动光学系统自动纠正。

其余的特性都是有利的：铝相对便宜，易于加工，具有高的热扩散率有利于低的镜率。

参考文献：

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