中國反射施密特式郭守敬望遠鏡

郭紅鋒

中國趕超世界的大口徑望遠鏡計劃

20世紀80年代前，中國幾乎沒有自主知識產權的大型專業天文望遠鏡。改革開放以來，我國國力日漸增強，也陸續自主研制了一些1-2米級的望遠鏡，但與世界水平相比還有很大差距。

20世紀90年代，以王授琯院士、蘇定強院士為首的科學家提出了“反射施密特式望遠鏡”方案。該方案瞄準國際天文屆亟待解決的大口徑與大視場的矛盾，希望開辟中國自主研制大口徑望遠鏡的發展道路。后來，在崔向群院士帶領下，中國建設者于2008年建成大口徑望遠鏡并安裝在國家天文臺興隆觀測基地，成為中國首個具有完全自主知識產權、同類設備國際領先的大型光學天文儀器。該望遠鏡于2010年經征集命名為“郭守敬望遠鏡”，2011年對外開放使用。

郭守敬望遠鏡，全稱“大天區面積、多目標、光纖、光譜天文望遠鏡”，英文名為“Large Sky Area Multi-ObjectFibre Spectroscopic Telescope （縮寫LAMOST）”。這個名稱很長，代表很多意思。

第一，它具有一次觀測“ 大天區面積”的能力，就是說它的視場很大，是同等口徑常規望遠鏡的5倍以上，達到20多平方度;

第二，這么大的視場，適合于一次觀測多個目標（設計達到4000個之多），大大提高了觀測效率;

第三，采用先進的光纖傳輸光路，保證多目標光線的精確收集和傳輸;

第四，它觀測的是天體目標的光譜信息，內含比簡單測光更加豐富的天體物理數據。

可以說，這些優點都得益于郭守敬望遠鏡巧妙創新的光學結構設計和新技術的應用。截至目前，它是我國最大的光學望遠鏡，也是世界上最大口徑的大視場望遠鏡和光譜獲取率最高的望遠鏡，使中國進入了世界上少數幾個具備自主研制巨型望遠鏡能力的國家。

反射施密特式郭守敬望遠鏡的創新點

前面我們已經講過，施密特望遠鏡光路的巧妙之處在于用一塊波浪形的折射改正鏡放在球面反射主鏡的前面，改正球差，并使望遠鏡有較大的視場。后人對施密特望遠鏡進行了各種改進，產生了多種施密特式望遠鏡類型。例如把施密特改正鏡的折射透鏡改為反射鏡，口徑做得更大，進而發展出更大口徑的施密特式望遠鏡。

郭守敬望遠鏡的結構屬于反射施密特式望遠鏡，但也在多個環節做了創新設計。

第一個創新，是采用主動光學控制反射式施密特改正鏡。前期文中我們講過主動光學技術，是20世紀七八十年代發展起來的，在望遠鏡背面安裝促動器，由計算機控制來矯正大型望遠鏡鏡面形狀，使其維持在運轉過程中鏡面形狀不變形的先進技術。而在郭守敬望遠鏡的設計中，科學家非常巧妙地利用主動光學技術，來矯正施密特反射改正鏡的形狀，不是讓它維持形狀不變，而是控制它根據需要改變面型。就是說，改正鏡的面型不是傳統的固定形狀，而是由主動光學控制，根據觀測目標的需要而改變形狀。這個改正鏡還采用了國際最先進的拼接鏡面技術，在世界上首次實現了在大尺度鏡面上同時采用主動變形和拼接鏡面技術，使改正鏡口徑做到4米級（一般折射透鏡很難做到1米以上）。因此，郭守敬望遠鏡的設計指標才能達到1.8米直徑的超大焦平面和5度的超大視場角。

第二個創新，是分區工作并行控制的光纖定位技術。郭守敬望遠鏡超大視場可以在焦面上放置多達4000根光纖（目前國外同類望遠鏡的光纖數最多為640根），每根光纖對準一個天體目標，一次就可以觀測4000個目標，大大提高了觀測效率。然而這4000根光纖的精確定位，也是該望遠鏡面臨的新挑戰。得益于現代計算機控制和高精度測量技術的應用，郭守敬望遠鏡首創國際領先的分區工作并行控制的光纖自動定位，保證了光纖在焦面上精確地對準目標。

此外，該望遠鏡的安裝結構也非常特別。普通望遠鏡是主、副鏡（包括改正鏡）都安裝在同一個支架上，安裝在同一個圓頂室里，觀測時驅動機架轉動即可。而郭守敬望遠鏡的主、副鏡（改正鏡）是分體的，主鏡與副鏡之間沒有剛性機架連接，觀測時各自會受計算機控制，達到光路的準直。這是因為郭守敬望遠鏡的大口徑與大視場特點使得主、副鏡相距40米，這樣長的望遠鏡轉動起來很困難，所以把它設計成固定在地面的望遠鏡，其改正鏡同時起到定天鏡的作用，把不同位置的天體反射到主鏡中。如果做成普通望遠鏡那樣的一體結構，鏡筒必須很長，控制也十分困難。科學家參考了中星儀類天體測量儀器的臥式結構，并把主鏡和副鏡（改正鏡）分別安裝在相距幾十米遠的兩個建筑物中，各自用計算機控制達到光學準直、同步聯動，從而使得該望遠鏡的設計理念得到實現。

自2011年開放使用以來，郭守敬望遠鏡已經觀測到多種類型天體的數千萬條光譜，是國際上同類望遠鏡觀測到的光譜總和的5倍還多。2016年起，中國科學家還建立了開放的光譜數據庫，供全世界科學家研究使用。同學們如果有興趣，也可以進入數據庫了解一下哦（參考網站http：//dr6.lamost.org/）。