大口徑光學望遠鏡拼接鏡面關鍵技術綜述

霍銀龍，楊 飛 ，王富國

（1. 中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所, 吉林 長春130033；2. 中國科學院大學, 北京100049）

1 引 言

望遠鏡在滿足天文觀測、空間環境監視、先進光束控制技術試驗平臺以及重大航天活動等領域具有重要的應用價值[1]，天文望遠鏡的主鏡尺寸會影響望遠鏡在理想條件下的成像分辨率和對比度，同時望遠鏡所能觀測到的最微弱天體的亮度也受其主鏡有效面積的限制。因此，為改進望遠鏡的觀測性能，其主鏡直徑不斷增大[2-3]。但受鏡坯制造、生產運輸等環節的限制，目前國際上最大口徑的單鏡面光學望遠鏡為8 m 級的，更大口徑的光學望遠鏡主鏡通常采用拼接鏡面技術制備[2-5]。

拼接鏡面技術為未來極大、甚大口徑光學望遠鏡的主鏡制備提供了一種重要的選擇，它解決了光學望遠鏡口徑無法突破8 m 級限制的技術壁壘，并已廣泛應用于大型光學望遠鏡主鏡的設計中，如國外的凱克望遠鏡（Keck I、II）、霍比-埃伯利望遠鏡（Hobby-Eberly Telescope，HET）、加那利大型望遠鏡（Gran Telescopio Canarias，GTC）、南非大望遠鏡（Southern African Large Telescope，SALT）、三十米望遠鏡 （Thirty Meter Telescope，TMT）、歐洲極大望遠鏡（European Extremely Large Telescope，E-ELT）和詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（James Webb Space Telescope，JWST）等，國內采用拼接鏡面技術建造的大口徑光學望遠鏡的典型代表是大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡（Large Sky Area Multi-object Fiber Spectroscopic Telescope，LAMOST），它的建成為我國研制超大口徑拼接望遠鏡打下了堅實的基礎，并在此基礎上，提出了12 m 通用大型光學紅外望遠鏡(Large Optical-infrared Telescope，LOT)的研制項目。這些望遠鏡以其更寬更深的觀測能力，將為我們解決宇宙中更多懸而未決的科學問題[6]，現有拼接式望遠鏡的科學目標主要集中在銀河系結構與形成、太陽系普查、暗物質暗能量的研究、近地天體觀測與跟蹤、黑洞觀測等幾個科學前沿領域。天文學家利用Keck 望遠鏡取得了多項突破性成就，不僅驗證了宇宙加速膨脹，還觀測到銀河系中心黑洞，這兩項觀測成果分別榮獲了2011 年和2020 年的諾貝爾獎[7]；HET 協助天文學家首次發現了恒星吞噬行星的證據；JWST 是目前口徑最大的空間光學望遠鏡，它具備強大的紅外分辨率和靈敏度，是哈勃太空望遠鏡的繼任者，相信在不久的將來，JWST 將進一步影響甚至顛覆人類的自然觀，引領空間天文學邁入新紀元。

本文綜述了拼接式望遠鏡主鏡設計常采用的拼接方案，比較了不同拼接方案間的差異，重點闡述了子鏡支撐技術和共相檢測技術的發展現狀和未來發展趨勢，為我國下一代極大口徑光學紅外望遠鏡的自主研制提供參考。

2 常見拼接方案介紹

2.1 不同子鏡性能介紹

由于拼接方案的不同，拼接子鏡的形狀和尺寸也各有差異，常見的子鏡形式主要有圓形、扇形和六邊形等，其中六邊形子鏡是實際應用最多的一種子鏡形式[4]。3 種不同的主鏡拼接結構形式如圖1 所示，其中左上角為單鏡面形式，右上角主鏡為六邊形子鏡拼接形式，左下角為圓形子鏡拼接形式，右下角為扇形子鏡拼接形式。

針對拼接子鏡的形狀差異，國內外諸多學者已開展了多項研究，其中：宋家寶[8]比較了扇形和六邊形子鏡的性能差異，在面積和支撐點數相同的條件下，分析了兩種子鏡在重力作用下的鏡面變形；雷存棟[9]設計了扇形拼接方案并進行了共相試驗驗證；Kendrick S E[10]等人闡述了環形和六邊形子鏡形狀的差異，并分析了子鏡尺寸對拼接效果的影響。當拼接環數、等效口徑相同時，不同子鏡形狀差異總結如表1 所示。

表1 不同子鏡形狀差異Tab.1 Comparison of different sub-mirror shapes

李斌分析了拼接誤差、子鏡曲率加工誤差以及拼接間隙對拼接鏡成像性能的影響。他們的研究表明拼接鏡的成像質量會隨拼接誤差、間隙因子的增大而變差[11]。曹海峰[4]通過對拼接子鏡形狀及尺寸的相關研究，分析結果如圖2 所示，驗證了由不同拼接子鏡所組成的主鏡在望遠鏡光學系統中，對較低空間頻率信息的調制能力基本一致，故圓形子鏡拼接可代替六邊形子鏡拼接方案，且圓形子鏡在未來更大規模拼接鏡面望遠鏡中的應用具有一定的優勢。

圖2 子鏡尺寸對光學系統MTF 的影響[4]Fig. 2 Effect of sprite size on the MTF of optical systems[4]

2.2 典型主鏡拼接方案

JWST 是空間光學望遠鏡的巔峰之作，同樣也是拼接式望遠鏡的典型代表。JWST 于2021年12 月成功發射，其等效口徑為6.5 m，觀測波段為0.6～28 μm。 圖3 為JWST 的三維模型和其主鏡。

圖3 JWST 的三維模型和主鏡[12]Fig. 3 3D model of the JWST and its primary mirror[12]

其主鏡是由18 塊對角距離為1.5 m 的六邊形子鏡拼接成的凹面鏡，所選用的材料為鈹，每個子鏡的質量約為20 kg[13]。這18 塊子鏡擁有3 種不同的類型，每種類型的鏡面各有6 個，如圖4所示，A、B 或C 表示拼接子鏡所屬的子鏡類型。

圖4 JWST 拼接主鏡方案[12]Fig. 4 The segmented primary mirror scheme of the JWST[12]

2.3 總結及發展趨勢

拼接鏡面技術為建造大口徑望遠鏡提供了可能，并在空間和地基望遠鏡主鏡設計中得到了廣泛應用。表2 列舉了部分大型拼接式望遠鏡設計的基本情況。

表2 大型拼接鏡面望遠鏡基本參數Tab.2 Basic parameters of large segmented mirror telescopes

由表2 中數據可知：

（1）國外正著力開展30～100 m 級別的巨型光學望遠鏡的研制，但國內迄今為止并沒有建成10 m 以上的光學紅外望遠鏡，天文學者不得不借用國外的望遠鏡來進行觀測，對我國天文學的發展產生不利影響。

（2）六邊形子鏡是實際應用最多的一種拼接子鏡形式，且受研制成本和拼接復雜程度的限制，子鏡尺寸大多集中于1～1.8 m 范圍內。

（3）隨著等效口徑的增大，在拼接子鏡尺寸一定的情況下，所需子鏡的數量也急劇增加，例如E-ELT 和TMT 在拼接子鏡尺寸為1.4 m 左右的情況下，等效口徑增加了9.3 m，但子鏡數量相較TMT 卻增加了62.2%，子鏡數量的倍增無疑給子鏡研制環節帶來了巨大的挑戰，為縮短項目研發周期，拼接子鏡的研制必將朝著快速化、批量化趨勢發展。

（4）另一方面，在材料的選用上，現有拼接子鏡大多選用Zerodur 材料，我國LAMOST 的施密特主鏡也采用此種材料，但國內并未真正掌握該材料制備反射鏡的工藝，關鍵技術仍依賴國外，一定程度上限制了我國大口徑天文望遠鏡的發展進程。眾所周知，SiC 材料是目前國際光學界公認的高性能反射鏡材料[14-16]，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所突破了SiC 材料在鏡坯制備、光學超精密加工和改性鍍膜等領域的核心技術，于2016 年研制出直徑4.03 m 的單體碳化硅反射鏡坯，鏡坯重量1.7 t，并于2018 年8 月完成加工及鍍膜，關鍵技術自主可控，打破我國在大口徑反射鏡材料研制上完全依賴進口的窘迫局面[17]。與傳統的金屬和玻璃材料相比，SiC 材料具有適中的密度、較高的比剛度和熱導率以及良好的光學加工性能，是較為優良的光學材料，開展基于SiC 材料的反射鏡拼接是未來大口徑望遠鏡發展的一個新選擇、新突破。

3 子鏡支撐技術概述

隨著望遠鏡口徑的增大，其主鏡面形受自重、風載、熱變形等因素的影響也越來越大，對鏡面的支撐系統提出了更高的設計要求[18-19]，拼接式望遠鏡的主鏡是由眾多子鏡拼接而成，對主鏡的支撐則轉化為了對多個子鏡的支撐[20]。TMT是新一代地基巨型光學-紅外望遠鏡的典型代表，其子鏡支撐技術繼承和借鑒了Keck、SALT的設計，在支撐領域更具有代表性，因此，本章以TMT 的子鏡支撐系統為例，介紹拼接式望遠鏡的子鏡支撐技術。

3.1 TMT 子鏡支撐系統

TMT[21-22]的主鏡由492 塊對角距離為1.44 m厚4.5 cm 的六邊形子鏡拼接而成，該主鏡陣列具有六重對稱性，如圖5 所示，共擁有82 種不同類型的拼接子鏡。

圖5 TMT 主鏡和子鏡形狀[23]Fig. 5 Primary mirror and sub-mirror of TMT[23]

TMT 子鏡支撐系統如圖6 所示，其軸向采用27 點Whiffletree 支撐，徑向采用中心膜片支撐。整個系統由3 個位移促動器來主動調節鏡面的平移和傾斜誤差，并由翹曲彈簧結構（Warping Harness）來控制拼接鏡面的面形。與Keck 相比，TMT的主鏡尺寸更大、子鏡厚度更薄，受自重影響程度更大，不僅需要位移促動器的行程更大，而且控制重力變形的難度也更大。因此，TMT 使用了一個作為中間級的剛性移動架，該結構不僅可以將子鏡與促動器施加的變形力分離開，還可以平衡Whiffletree 的徑向力。

圖6 TMT 支撐系統示意圖[23]Fig. 6 Schematic diagram of the TMT support system[23]

其中，Whiffletree、Sheet Flexures 和移動框架由鋁制成。支撐鏡子的27 個柔性桿和Whiffletrees 的樞軸為不銹鋼，徑向支撐的中心膜片由低膨脹率的殷鋼制成，并使用樹脂與子鏡連接。

此外，TMT 的子鏡支撐系統可通過調整Whiffletree 的樞軸來彌補82 種子鏡類型的微小尺寸差異[23]。

3.2 子鏡支撐技術發展趨勢

表3 列舉了部分拼接式望遠鏡的子鏡支撐結構。自Keck 以來，拼接子鏡幾乎都采用Whiffletree 結構作軸向支撐、中心膜片作徑向支撐的形式[20]，同時也有越來越多的拼接主鏡采用了Warping Harness 技術。Warping Harness 技術可大幅縮短拼接鏡面的制造周期，在未來大口徑光學拼接望遠鏡主鏡的設計中具有重要的應用價值。

表3 大型拼接望遠鏡支撐結構Tab.3 Large segmented mirror telescope support structures

隨著拼接式望遠鏡口徑的不斷增大，子鏡數量也不斷增多，對支撐系統提出了更高的設計要求，為降低設計及制造成本，縮短項目研發周期，可采取以下措施：

（1）降低拼接子鏡種類，增強支撐系統的可復制性。當采用六邊形子鏡拼接時，所需子鏡種類為拼接子鏡總數的1/6，而圓形和扇形子鏡的優勢在于與主鏡主光軸距離相等位置處的子鏡形狀完全一致，綜合考慮鏡面支撐、鏡坯制備等技術的難易程度，圓形子鏡在未來更大規模拼接鏡面望遠鏡中的應用更具有優勢。

（2）開展支撐結構的模塊化和參數化設計。拼接主鏡采用形狀相似的子鏡單元進行設計，將主鏡支撐分解為對子鏡的支撐，通過并行設計各子鏡的支撐模塊，縮短系統研制周期。此外，根據工程關系和設計需求，建立子鏡支撐結構的參數化模型，通過修改該模型的可變參數，實現特定子鏡支撐結構的設計，簡化設計流程。例如TMT 子鏡支撐設計時，可通過調整Whiffletree 樞軸連接位置上的微小差異來彌補82 種子鏡類型的尺寸差異，以實現整個支撐系統的參數化、高效設計。

4 共相檢測技術

4.1 共相誤差簡介

拼接鏡面若想實現與等效單鏡一樣的成像能力，就需要子鏡的反射面處于共相狀態[4]。制造誤差和拼接誤差是影響子鏡間共相的主要誤差，制造誤差主要包括曲率誤差、鏡面面形誤差等；拼接誤差主要包括子鏡平面（OXY）的面內誤差和離面誤差，面內誤差主要包括沿X軸和Y軸的平移的偏心誤差和繞子鏡中心的旋轉誤差，離面誤差如圖7 所示，主要指沿Z軸的平移誤差（Piston 誤差）和繞X、Y軸旋轉的傾斜誤差（Tip-Tilt 誤差）。

圖7 平移誤差以及傾斜誤差示意圖Fig. 7 Schematic diagram of the piston and tip/tilt error

子鏡共焦/共相主要是指測量和剔除子鏡的Piston 和Tip/Tilt 誤差[23-27]，其中Tip/Tilt 誤差的檢測與調節已相對成熟，可通過Shack-Hartmann（SH）相機測量并消除，即實現拼接子鏡間的共焦狀態[4,28]。然而Piston 誤差很難檢測和消除，且在檢測過程中，由于光波的周期性，在使用單色光檢測時會存在如圖8 所示的2π 模糊的問題[29-31]。接下來，本文將介紹幾種常見的共相誤差檢測技術。

圖8 Piston 誤差的 2π 模糊性[23]Fig. 8 2π ambiguity of the piston error[23]

4.2 常見的共相檢測方法

現有的共相檢測技術主要包括夏克哈特曼傳感法（Shake-Hartmann Phasing Sensor, SHAPS）、色散條紋傳感技術（Dispersed Fringe Sensor，DFS）、相位差（Phase Diversity，PD）技術和相位恢復（Phase Retrieval，PR）技術、曲率傳感技術（Curvature Sensing，CS）等。這些檢測方法均有各自的優勢，但也存在一些局限性，例如：夏克哈特曼傳感法雖然探測范圍大、精度高，但需使用精密的光瞳掩模，掩模與子鏡光瞳邊界對準困難，此外，色散條紋傳感器檢測精度較低；相位差法精度高，但求解算法的運算量大，難以實現對共相誤差的實時檢測。曹海峰博士[4]歸納總結了已有的共相檢測技術，見表4 所示。

表4 共相檢測技術的性能對比Tab.4 Performance comparison of co-phasing detection technologies

分析表4 可知，一方面，已有的共相檢測技術往往難以同時達到大量程、高精度、不引入非共光路誤差、實時性強的檢測要求，亟需對拼接共相檢測領域開展進一步的研究，探索新的共相方法以滿足實際系統的應用需求。另一方面，由于光波的周期性，這些方法在使用單色光檢測Piston 誤差時，均存在2π 模糊的問題。目前，為克服2π 模糊性困擾，常采用多個單波長或寬波段的復色光進行Piston 誤差檢測[23]，李斌[11]、曹海峰[4]等人均通過雙波長算法來避免了2π 模糊的影響，此外，山東大學的楊麗麗、楊忠明[32]等人將渦旋光束相移干涉與雙波長算法相結合用于拼接鏡的共相誤差檢測中，實現了Piston、Tip/Tilt 誤差的精確測量。這是首次將渦旋光束應用于共相誤差的檢測，為拼接鏡共相誤差測量提供了一種新思路。

4.3 未來發展趨勢

傳統共相檢測方法利用相關分析方法，將檢測所得到的圖像與已知子鏡相對位置的圖像進行對比分析，從而得出所需要的調整量[5]。但在大規模子鏡的情況下，主鏡系統更難以實現共相調整，在檢測時將會產生大量冗雜、復雜的數據，這就給傳統的檢測分析方法提出了很大的挑戰，而機器學習、神經網絡、深度學習等算法都具有超強的模式分析和數據挖掘能力，因此可以為共相誤差檢測提供一個新的研究思路。

隨著神經網絡、機器學習等相關算法的深入研究，國內外諸多學者嘗試將其應用于拼接子鏡共相誤差的探測當中[33-35]。例如：中國科學院光電技術研究所的馬霞飛[36]于2019 年通過500 張圖像完成了深度學習的網絡訓練，實現了兩孔系統100 nm 寬波段共相。2019 年，李德全等人將卷積神經網絡引入相位差算法，同時結合多波長思想，將子鏡Piston 誤差的檢測范圍提高至10 個波長[37]；曹海峰結合多波長、曲率傳感技術以及機器學習技術，提出利用支持向量機進行相鄰兩拼接子鏡間Piston 誤差識別的方法[38]。

將深度學習引入拼接共相誤差的檢測中，依據其強大的模式分類和數據分析能力，充分挖掘大規模數據間的特征，提升分類或預測的準確性，并通過構建復雜的網絡模型降低擬合偏差，可實現拼接子鏡間共相誤差的高精度檢測。因此，開展基于深度學習、機器學習的共相位誤差檢測技術的研究，是未來大規模子鏡背景下共相檢測和調整的一個重要發展方向。

5 結 論

本文主要圍繞主鏡拼接方案、子鏡支撐技術和共相檢測技術開展研究，研究結論如下：

（1）在常見的拼接方案中，六邊形子鏡是應用最多的。各種子鏡均具有一定的優勢，同時也具備一定的局限性。因此，在確定拼接方案時，應綜合考慮各子鏡的屬性差異、鏡坯制備難度、拼接誤差容限、觀測目標特性等多種因素，最終確定最優方案。

（2）在反射鏡制備材料的選用上，拼接式望遠鏡多采用微晶玻璃作為子鏡材料。隨著我國SiC 鏡坯的材料制備、光學加工與檢測等技術的快速發展，已經具備口徑達4 m 級的SiC 光學反射鏡研制能力，可為下一代拼接式望遠鏡的研發提供有力的技術支撐。與傳統的金屬和玻璃材料相比，SiC 材料具有適中的密度、較高的比剛度和熱導率以及良好的光學加工性能，是較為優良的光學材料，開展基于SiC 材料的反射鏡拼接可作為未來大口徑望遠鏡發展的一個新選擇、新突破。

（3）在子鏡支撐結構設計時，不僅要滿足設計指標要求，更要注意模塊化和參數化設計，簡化支撐結構的設計流程，增強支撐結構的可拓展性，縮短設計研發周期。此外，Warping Harness 技術可校正鏡面低階面形誤差，降低子鏡設計、制造要求，大幅縮短拼接鏡面的制造周期，在未來大口徑光學拼接望遠鏡主鏡的設計中具有重要的應用價值。

（4）現有共相檢測技術大多無法同時滿足高精度、大量程、實時性等檢測需求，且隨著拼接子鏡數量的增加，主鏡系統實現共相的難度和復雜度進一步增大，傳統的檢測分析方法將面臨巨大的挑戰。將具有強大模式分類和數據分析能力的深度學習引入拼接共相誤差的檢測，開展基于深度學習的共相誤差檢測技術的研究，可為未來拼接鏡面的共相檢測和調整提供一個可借鑒的發展思路。

拼接鏡面技術解決了光學望遠鏡口徑無法突破8 m 級限制的技術壁壘，為未來極大、甚大口徑光學望遠鏡主鏡的制造提供了一種重要選擇，本文的研究希望可以為我國下一代極大口徑光學 紅外望遠鏡的自主研制提供參考。