新型地面望远镜科学发展和技术进步要求望远镜提高灵敏度和分辨率。为此必额研制更大孔径的望远镜 ·
或阵列望远镜。提高灵敏度主要有两种方法， 即提高探测器灵敏度和增大集光面积。在过去
40年中，固体探测器的灵敏度取得很大进步，已经达到顶点， 其量子效率已达100 ， 其噪声
可忽略不计， 红外探测器也逐渐接近此水平。因此， 今后进一步提高灵敏度只能靠增大光学 ‘
系统集光面积来实现。当波长大于1O LLm时， 望远镜的分辩率受衔射极限限制， 丽衍射极限
和光学系统孔径大小成反比， 因此增大孔径可减少衍射极限， 改善角分辨率。当前可见光望
远镜还来达到衍射极限， 主要受波前畸变的限制， 但自适应光学可改善其性能， 不久的将来
也将达到衍射极限。总之， 增大光学系统孔径是今后改善望远镜灵敏度和分辨率的主要手
段。所以研制大孔径望远镜是当今的重要研究课题。在表9—5中列出了当前各国正在研制
的新型地面大型望远镜。从表中看出， 美目、日本和欧洲都制定了研究计划， 在9O年代集光
面积将增加4倍， 总集光面积的增长比前20年增加lO倍以上。总之， 大口径反射镜是大型望
远镜的关键。现将其有关的新技术、新材料和新工艺作简要地介绍。
温度计|
温度表|
风速计|
照度计|
噪音计|
辐照计|
声级计|
温湿度计|
红外线测温仪|
温湿度仪|
红外线温度计|
露点仪|
亮度计|
表9-5 新堑地面大型光学望远镶
计划名称 研制单位 主镜面积 主 链 娄 础
超大型望远镜 南欧洲天文白 210m 4个分立望远镜 8．2m玻璃一陶瓷薄镜
哥伦布 意太利 1i0 2×8．4硼硅酸盐蜂窝共层 勾
俄玄俄大学
韭力桑那大学
KeeK 望远镜 加利福尼亚大学 76 36×1．8m六方形玻璃一陶瓷薄镜址
壹哲汜 【卡内基研究所 B m硼硅酸盐蜂寓是层结构
I约翰霍布金斯大学 50
1 亚力桑那大学
NOAO (北部) 美国国家光学天文白 50 B t'rt硼硅酸盐蜂窝哭屠结朽
英国
加拿大
NOAO (南部) 薹国国家光学天文由 50 B tll硼硅酸盐蚱寓兜层结构
英国
加拿大
日本大型望逗镜 n本国家天文台 44 7．5m零膨胀系数薄镜
多反射镜望远镜的改型 斯峦生安研究所 33 ^．sm硼硅酸盐蜂窝央层结构
(MMT c。n e1．Sion)J 亚力桑那太学
1． 反射曩新技术
1 9世纪建造的望远镜主要是透镜作主镜， 最大直径为1II3．，其后几乎都是反射式。如1918
年建成的2．5m Hooker望远镜， 其后在威尔逊tlj上的4m望远镜及Pa!omar tit上的5m Hale
望远镜。最大的是苏联的6m望远镜，这些望远镜靠厚度保持曲面形状， 由于光学技术水平
限制， 都采Ⅲ 【乏熊距。 ，
70年代后，出现了新的反射镜结构和工艺，为增大反射镜口径开辟了道踏。主要自。多反
射镜结构， 薄反射镜和带孔轻型反射镜结构等，下而作简要的介绍。
(1)多反射镜望远镜(Multiple MJrror Telescope)
第一个多反射镜望远镜魁亚力桑那大学和斯密生安天文台于70年代建成。他们采用6个
]，8m望远镜组合成等效集光而积相当于4 5m 的望远镜。此望远镜安装在髓转动的建筑物
中， 并且改善通风条件， 取得良好效果。其后， 南欧洲天文台的4m 级望远镜也采用多反射
镜结构， 获得很好的像质， 达到0．33弧秒。
限制增大反射镜有两个主要因素，第一是镜子重量，4m镜重为15t， 为了保持铸而不
变形， 则8m镜将重达1 20t， 如果支撑不变， 自重变形将增大4倍。第二个因索是热惯性。
尽管镜子采用低膨胀系数材料，Fh于温度变化、通风等引起的畸变仍不可忽略， 例如1。温
燕可引起0．3瓶秒的像簋。4m级镜的热时间常数为几小时。8m级反射镜的阀题更加严重。
多反射镜结构中用较小的反射镜组成等效的大反射镜， 每个反射镜薄而轻， 热时间常数也较
少。
(2)薄反射镜望远镜(Meniscus Tclesc'opc)
所龋薄镜指的是镜子的厚度不变的反射镜 传统的反射镜直径和厚度的比为6：1，或
8：1。这样可保持镜子因重力引起的变形保持在允许的范围内。薄镜的比例为40：1， 镜子
的刚度减少。为了减少因重力和风力引起的变形， 设计中采用多点、可控支捧系统， 减少因
蘑力和风力引起的变形。南蚊洲天文台的超大型望远镜和日本国家天文台的大型望远镜都采
用此种技术。
(3)骷孔轻型反射镜(Light Mlrr0 r With Hollows)
加肋的夹层结构可使二维的镜面获得最大舶刚度一质量比。美国亚力桑那大学研制了用
硼硅酸盐玻璃大型蜂窝夹层反射镜。其重量仅为同样尺寸实心镜的四分之一， 但在重力下变
形却近似相等。同时蜂窝结构有利于镜子和环境温度达到热平衡。此种反射镜将用于美国与
英国和加拿大联台研制的NOAO等三个望远绪中。
(4)短焦距比
新的望远镜设引 j现有望远镜除主反且J镜型式不同之外， 还有几个方面不同。首先是焦
长度缩短。现有望远镜的焦距和直径的比一般较大， 大约为2．2～ 5之间。其原因是受光
学加工技术水平的限制。为了增大孔径赢径， 需要减少焦距的槲对长度， 以便使望远镜的长
度和价格保持在允许舶范围内。例如，60m直径的望远镜罩舶价格是30m商径的8倍， 短
焦距还可以改善望远镜承受风干扰的能力。但焦距缩短时， 为了保证像质不变， 镜面加工精
度提高，8m望远镜设计中， 臻距一赢往比为2 下， 而哥伦市计划中选用1．1 。
2．反射镜新材料
反射镜开始时主要由玻璃制成，190纪后才开始使用金属反射镜， 但金属容易变形干儿腐
蚀， 需要经常抛光。后来在玻璃上沉积银薄膜，使兼有玻璃和金属舶优点。威尔逊山上的
1 5m和2．5m望远镜使用硼硅酸盐～ 陶瓷玻璃， 膨胀系数 =i0 K～ 。而后的5m望远镜
使用熔融石英( 7 X10 K )。60和70年代出现了许多新材料， 如用正膨胀系数的玻
璃和负膨胀系数的陶瓷组成新材辩， 膨胀系数近似为零。此外还有熔化石英中掺钛氧化物，
其膨胀系数也很少
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3． 反射镜加工新工艺
抛物面或近似抛物面镜和其最佳拟台球面的差，与镜子直径成正比，与焦距长的立方成反
比。例如，8m，f／3抛物面与其最佳拟台球面的差为72Hm，而同样大小，f／]的抛物面与
其最佳拟台球面之差为2ram。在光学加工中， 此差值是很大的。为此研究了新的加工方法，
使用可弯曲的工具，主动控制抛光工具使其与光学表面配准并控制工具上压力分布，或以离子
束除去表面的玻璃达到需要的曲面形状。下面介绍几个新型望远镜以便了解技术进步情况。
(1)Keck望远镜 ·
Keck望远镜的主镜由36块】．8m宽、．?5ram厚的六方形块组成， 等效直径10m，f／1．75
的双曲面镜。采用加压球面抛光， 当压力撤除后， 圆盘弹性恢复到要求的曲面形状，精度达
到250nm。为了消除田割引起的误差， 采用一组弹簧支撑每个六方形块， 使表面精度达N20
~40nm。开始用星光校准每块镜片，使相邻片问轴偏差达几毫微米。由微处理机控制词整
36块镜片保证整个镜面的形状， 并抵消吏撑引起的变形。分块镜技术还将在美国光谱测龟望
远镜和德国大型望远镜等没备中使用。
(2) 薄镜望远镜
超大型望远镜的主镜由4个8．2m薄镜阵列组成。此薄镜在德国最近建成的凹形旋转模
具中铸造而成，焦距直径比为1．8，每个镜厚175mm，重23t。镜子有几百个支撑点。每个
点有精确控制的力作用在镜片上， 使因热变形、重力和惯性力及风力引起的变形得到补偿。
类似的结构将在日本大型望远镜中使用。
(3)蜂窝夹层反射镜望远镜
蜂窝夹层镜在三个计划中采用。其中直径最大的是哥伦布计刘中的8．4m，f／1．4双镜。
等效孔径为11．8m。此镜是由复杂模具制成， 其结构为直径和厚度比为8：1或10：l的有孔
结构。镜子的前板厚28ram，后板厚为25ram， 两板中有11个肋，按六角形分布。镜面由
旋转模铸造，抛物面精度为lmm。镜子重量为14t。边缘处厚850mm，但所用玻璃仅和100mm
厚的薄镜相同。因风力和重力引起的变形仅为同样大小厚的薄镜的七分之一或更少。
蜂窝夹层镜还具有可采用短焦距及加压抛光工艺， 有孔便于通风， 热时间常数小(大约
为40分钟)等优点，有广阔的应用前景。 ．
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