专业高效
微纳加工公司

从30米口径的巨型拼接镜面，到纳米级的加工精度，一文看懂未来天文台的“硬核”制造术。

人类对宇宙的好奇从未停止。从伽利略1.5厘米的小望远镜，到如今动辄二三十米的“巨眼”，天文学家一直在追求更大的口径——因为口径越大，收集的光子越多，就能看更远、更暗、更清晰的天体。然而，制造一台下一代大型望远镜（Next-Generation Telescope, NGT），远比我们想象的要复杂。它不仅仅是“造一块大镜子”那么简单，而是涉及自由曲面光学、纳米级加工、智能检测、主动/自适应光学、巨型圆顶等一系列尖端技术的系统工程。

今天，我们就以国内外相关资料为基础，带你走进下一代超级望远镜的制造世界。

一、为什么需要“超级望远镜”？

在过去三个世纪里，望远镜主镜直径增长了两个数量级以上（图1）。从1908年的1.5米，到1949年的5.1米，再到1993年凯克望远镜的10米，人类对更大口径的追求从未停止。

图1 主镜直径随时间的增长

目前，三台“极大望远镜”（Extremely Large Telescope）正紧锣密鼓地建设中：

GMT（巨行星望远镜）：24.5米等效口径，7块8.4米拼接镜面

E-ELT（欧洲极大望远镜）：39米口径，798块六边形子镜

TMT（三十米望远镜）：30米口径，492块子镜

它们将帮助科学家研究系外行星、暗物质、第一代恒星和星系形成等前沿问题。例如，詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）已经能够观测到130亿光年外的星系，而地面极大望远镜凭借更大的集光面积和先进的自适应光学，将在系外行星直接成像等领域实现突破（图2）。

图2 超新星遗迹的复合图像

二、光学设计：自由曲面成为主角

传统望远镜使用球面或非球面镜，但下一代望远镜为了获得更宽的视场、更紧凑的结构，大量采用自由曲面——即两个正交方向具有不同曲率、非旋转对称的光学面。例如，LSST（大型综合巡天望远镜）使用一个8.4米的一体式主镜/三镜（图3），其非球面偏离量极大，需要特殊的应力盘抛光技术。而GMT的7块子镜中，有6块是离轴抛物面，最大非球面偏离达到14毫米。

图3 LSST主/三镜同时加工

自由曲面的引入，使得望远镜可以在更小的体积内实现更优的像差校正，但也给制造和检测带来了前所未有的挑战。

三、制造技术：从金刚石车削到磁流变抛光

3.1 不同材料的抉择

下一代望远镜的镜坯材料五花八门：GMT使用低膨胀E6玻璃，轻量化蜂窝结构；E-ELT使用Zerodur微晶玻璃；TMT使用Clearcarm玻璃；JWST使用金属铍（比刚度高，低温稳定）；DKIST太阳望远镜使用Zerodur，耐高温。（备注：詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST)已投入运行，2021年12月发射，目前已开始科学观测；维拉·鲁宾天文台 (LSST)已投入运行，2025年年中实现“首光”并公布首批图像；丹尼尔·井上太阳望远镜 (DKIST) 已完成，投入试运行2020年首次发布图像，科学验证持续至2026年）

3.2 粗磨与精抛

对于GMT的8.4米子镜，先用金刚石砂轮粗磨，然后用应力盘抛光（stressed lap）——一个直径1.2米的抛光工具，可以在镜面上按预设路径移动，通过改变压力控制材料去除量（图4）。这种技术能将面形误差修到20纳米RMS以内。

图4 刚性共形工具抛光GMT子镜

对于E-ELT的上百块小镜片，则需要流水线式生产：圆形毛坯→粗磨→切割成六边形→“grolishing”（介于磨与抛之间的工序）→最后用旋转球头抛光（bonnet polishing）完成。整个流程高度自动化，配合原位测试塔（图5），每块镜片可以在同一机房内完成加工与检测，极大提升了效率。

图5 E-ELT子镜的原位加工与检测

3.3 局部修正：磁流变抛光（MRF）

对于高精度自由曲面，还有一项“神技”——磁流变抛光（图6）。它利用磁流体在局部形成抛光带，可以精确去除纳米级厚度的材料，将面形误差从几百纳米降到20纳米以下。我们上一篇文章介绍的四镜自由曲面望远镜，正是借助MRF实现了裸铝镜面的直接修正。

图6 金刚石车削后的中频误差（左）与MRF抛光后的光滑表面（右）

四、检测技术：如何测量一个几十纳米精度的巨镜？

制造精度达到几十纳米，可镜子却有8米大，怎么测？传统的干涉仪一次只能测一小块，而且自由曲面没有对称轴，无法用标准球面镜进行零位检验。为此，工程师们开发了多种“黑科技”。

4.1 摆臂轮廓仪（SAP）

将高精度测头安装在一根旋转臂上，臂的转轴通过待测镜面的曲率中心。测头扫过镜面，记录相对球面的偏离。配合双探头剪切校准，可以实现35纳米RMS的重复精度（图7）。

图7 摆臂光学坐标测量机（SOC）与干涉仪对比

4.2 激光跟踪仪

用干涉测距加两个角度编码器，可以精确定位一个反射球在三维空间的位置。在GMT子镜制造中，激光跟踪仪被用来独立验证低阶面形误差，精度优于1微米RMS。

4.3相移偏折法（PSD）

当表面逐渐光亮，就可以改用液晶显示屏显示正弦条纹，通过相机记录反射条纹的相位变化，恢复镜面斜率。这种方法经过激光跟踪仪标定后，与干涉仪的测量结果差异仅9纳米RMS（图8）。

图8 PSD与干涉仪对比

4.4 子孔径拼接干涉术

对于凸面镜（如E-ELT的4.1米凸面副镜），无法用常规干涉仪一次测完。于是，将测试系统放在一个多轴平台上，每次测一个小区域，然后利拼接成全口径面形（图9）。

图9子孔径拼接干涉测试凸非球面

4.5 计算全息图（CGH）零位检验

对于最终的自由曲面，最精确的方法还是定制一块计算机生成全息图。将它放在干涉仪的出射光路中，可以产生与待测自由曲面完全匹配的波前，从而获得高对比度的干涉条纹（图10）。CGH上还可以同时制作对准标记，使得镜片的定位误差控制在微米级。

图10 CGH及产生的干涉条纹

五、结语：超级望远镜的时代已经来临

从自由曲面的设计，到纳米级的加工与检测，下一代大型望远镜是人类工程智慧的集大成者。它们的建成，将为我们揭开宇宙最早的星辰、最近的系外行星、最神秘的暗物质与暗能量的面纱。我们只需耐心等待，不久之后，这些“地球巨眼”就会传回一幅幅震撼人心的宇宙图景。

六、关于我们

我们专注于半导体、航天航空、民用消费等光学系统 CGH计算全息图设计、测量系统研发与构建、光学系统检测与装调、多视场波像差测量等领域，提供从元件级到系统级的完整评价方案，让测量不再受限于系统形态，让像质真正“可见”。如果你有任何测量需求，请找上海奥麦达！高精度CGH设计制造，请找上海奥麦达https://www.omedasemi.com