大口徑光學(xué)望遠鏡拼接鏡面關(guān)鍵技術(shù)綜述

霍銀龍，楊 飛 ，王富國

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

1 引 言

望遠鏡在滿足天文觀測、空間環(huán)境監(jiān)視、先進光束控制技術(shù)試驗平臺以及重大航天活動等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)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(chǎn)運輸?shù)拳h(huán)節(jié)的限制，目前國際上最大口徑的單鏡面光學(xué)望遠鏡為8 m 級的，更大口徑的光學(xué)望遠鏡主鏡通常采用拼接鏡面技術(shù)制備[2-5]。

拼接鏡面技術(shù)為未來極大、甚大口徑光學(xué)望遠鏡的主鏡制備提供了一種重要的選擇，它解決了光學(xué)望遠鏡口徑無法突破8 m 級限制的技術(shù)壁壘，并已廣泛應(yīng)用于大型光學(xué)望遠鏡主鏡的設(shè)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(nèi)采用拼接鏡面技術(shù)建造的大口徑光學(xué)望遠鏡的典型代表是大天區(qū)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(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上，提出了12 m 通用大型光學(xué)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(xué)問題[6]，現(xiàn)有拼接式望遠鏡的科學(xué)目標主要集中在銀河系結(jié)構(gòu)與形成、太陽系普查、暗物質(zhì)暗能量的研究、近地天體觀測與跟蹤、黑洞觀測等幾個科學(xué)前沿領(lǐng)域。天文學(xué)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(xié)助天文學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了恒星吞噬行星的證據(jù)；JWST 是目前口徑最大的空間光學(xué)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(lǐng)空間天文學(xué)邁入新紀元。

本文綜述了拼接式望遠鏡主鏡設(shè)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(shù)和共相檢測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢，為我國下一代極大口徑光學(xué)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(yīng)用最多的一種子鏡形式[4]。3 種不同的主鏡拼接結(jié)構(gòu)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(nèi)外諸多學(xué)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(shù)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(shè)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(huán)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(huán)數(shù)、等效口徑相同時，不同子鏡形狀差異總結(jié)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(zhì)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(guān)研究，分析結(jié)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(xué)系統(tǒng)中，對較低空間頻率信息的調(diào)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(guī)模拼接鏡面望遠鏡中的應(yīng)用具有一定的優(yōu)勢。

圖2 子鏡尺寸對光學(xué)系統(tǒng)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(xué)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(fā)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(zhì)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(jié)及發(fā)展趨勢

拼接鏡面技術(shù)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(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用。表2 列舉了部分大型拼接式望遠鏡設(shè)計的基本情況。

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

由表2 中數(shù)據(jù)可知：

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

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

（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(shù)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(shù)量相較TMT 卻增加了62.2%，子鏡數(shù)量的倍增無疑給子鏡研制環(huán)節(jié)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，為縮短項目研發(fā)周期，拼接子鏡的研制必將朝著快速化、批量化趨勢發(fā)展。

（4）另一方面，在材料的選用上，現(xiàn)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(nèi)并未真正掌握該材料制備反射鏡的工藝，關(guān)鍵技術(shù)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(fā)展進程。眾所周知，SiC 材料是目前國際光學(xué)界公認的高性能反射鏡材料[14-16]，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所突破了SiC 材料在鏡坯制備、光學(xué)超精密加工和改性鍍膜等領(lǐng)域的核心技術(shù)，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(guān)鍵技術(shù)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(tǒng)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(dǎo)率以及良好的光學(xué)加工性能，是較為優(yōu)良的光學(xué)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(fā)展的一個新選擇、新突破。

3 子鏡支撐技術(shù)概述

隨著望遠鏡口徑的增大，其主鏡面形受自重、風(fēng)載、熱變形等因素的影響也越來越大，對鏡面的支撐系統(tǒng)提出了更高的設(shè)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(zhuǎn)化為了對多個子鏡的支撐[20]。TMT是新一代地基巨型光學(xué)-紅外望遠鏡的典型代表，其子鏡支撐技術(shù)繼承和借鑒了Keck、SALT的設(shè)計，在支撐領(lǐng)域更具有代表性，因此，本章以TMT 的子鏡支撐系統(tǒng)為例，介紹拼接式望遠鏡的子鏡支撐技術(shù)。

3.1 TMT 子鏡支撐系統(tǒng)

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(tǒng)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(tǒng)由3 個位移促動器來主動調(diào)節(jié)鏡面的平移和傾斜誤差，并由翹曲彈簧結(jié)構(gòu)（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(jié)構(gòu)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(tǒng)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(tǒng)可通過調(diào)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(shù)發(fā)展趨勢

表3 列舉了部分拼接式望遠鏡的子鏡支撐結(jié)構(gòu)。自Keck 以來，拼接子鏡幾乎都采用Whiffletree 結(jié)構(gòu)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(shù)。Warping Harness 技術(shù)可大幅縮短拼接鏡面的制造周期，在未來大口徑光學(xué)拼接望遠鏡主鏡的設(shè)計中具有重要的應(yīng)用價值。

表3 大型拼接望遠鏡支撐結(jié)構(gòu)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(shù)量也不斷增多，對支撐系統(tǒng)提出了更高的設(shè)計要求，為降低設(shè)計及制造成本，縮短項目研發(fā)周期，可采取以下措施：

（1）降低拼接子鏡種類，增強支撐系統(tǒng)的可復(fù)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(shù)的1/6，而圓形和扇形子鏡的優(yōu)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(shù)的難易程度，圓形子鏡在未來更大規(guī)模拼接鏡面望遠鏡中的應(yīng)用更具有優(yōu)勢。

（2）開展支撐結(jié)構(gòu)的模塊化和參數(shù)化設(shè)計。拼接主鏡采用形狀相似的子鏡單元進行設(shè)計，將主鏡支撐分解為對子鏡的支撐，通過并行設(shè)計各子鏡的支撐模塊，縮短系統(tǒng)研制周期。此外，根據(jù)工程關(guān)系和設(shè)計需求，建立子鏡支撐結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型，通過修改該模型的可變參數(shù)，實現(xiàn)特定子鏡支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計，簡化設(shè)計流程。例如TMT 子鏡支撐設(shè)計時，可通過調(diào)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(xiàn)整個支撐系統(tǒng)的參數(shù)化、高效設(shè)計。

4 共相檢測技術(shù)

4.1 共相誤差簡介

拼接鏡面若想實現(xiàn)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(tài)[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(nèi)誤差和離面誤差，面內(nèi)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)節(jié)已相對成熟，可通過Shack-Hartmann（SH）相機測量并消除，即實現(xiàn)拼接子鏡間的共焦狀態(tài)[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(shù)。

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(xiàn)有的共相檢測技術(shù)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(shù)（Dispersed Fringe Sensor，DFS）、相位差（Phase Diversity，PD）技術(shù)和相位恢復(fù)（Phase Retrieval，PR）技術(shù)、曲率傳感技術(shù)（Curvature Sensing，CS）等。這些檢測方法均有各自的優(yōu)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(xiàn)對共相誤差的實時檢測。曹海峰博士[4]歸納總結(jié)了已有的共相檢測技術(shù)，見表4 所示。

表4 共相檢測技術(shù)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(shù)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(lǐng)域開展進一步的研究，探索新的共相方法以滿足實際系統(tǒng)的應(yīng)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?qū)挷ǘ蔚膹?fù)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(xué)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(jié)合用于拼接鏡的共相誤差檢測中，實現(xiàn)了Piston、Tip/Tilt 誤差的精確測量。這是首次將渦旋光束應(yīng)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(fā)展趨勢

傳統(tǒng)共相檢測方法利用相關(guān)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(diào)整量[5]。但在大規(guī)模子鏡的情況下，主鏡系統(tǒng)更難以實現(xiàn)共相調(diào)整，在檢測時將會產(chǎn)生大量冗雜、復(fù)雜的數(shù)據(jù)，這就給傳統(tǒng)的檢測分析方法提出了很大的挑戰(zhàn)，而機器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等算法都具有超強的模式分析和數(shù)據(jù)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機器學(xué)習(xí)等相關(guān)算法的深入研究，國內(nèi)外諸多學(xué)者嘗試將其應(yīng)用于拼接子鏡共相誤差的探測當中[33-35]。例如：中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所的馬霞飛[36]于2019 年通過500 張圖像完成了深度學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，實現(xiàn)了兩孔系統(tǒng)100 nm 寬波段共相。2019 年，李德全等人將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入相位差算法，同時結(jié)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(jié)合多波長、曲率傳感技術(shù)以及機器學(xué)習(xí)技術(shù)，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(xué)習(xí)引入拼接共相誤差的檢測中，依據(jù)其強大的模式分類和數(shù)據(jù)分析能力，充分挖掘大規(guī)模數(shù)據(jù)間的特征，提升分類或預(yù)測的準確性，并通過構(gòu)建復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)模型降低擬合偏差，可實現(xiàn)拼接子鏡間共相誤差的高精度檢測。因此，開展基于深度學(xué)習(xí)、機器學(xué)習(xí)的共相位誤差檢測技術(shù)的研究，是未來大規(guī)模子鏡背景下共相檢測和調(diào)整的一個重要發(fā)展方向。

5 結(jié) 論

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

（1）在常見的拼接方案中，六邊形子鏡是應(yīng)用最多的。各種子鏡均具有一定的優(yōu)勢，同時也具備一定的局限性。因此，在確定拼接方案時，應(yīng)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(yōu)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(xué)加工與檢測等技術(shù)的快速發(fā)展，已經(jīng)具備口徑達4 m 級的SiC 光學(xué)反射鏡研制能力，可為下一代拼接式望遠鏡的研發(fā)提供有力的技術(shù)支撐。與傳統(tǒng)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(dǎo)率以及良好的光學(xué)加工性能，是較為優(yōu)良的光學(xué)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(fā)展的一個新選擇、新突破。

（3）在子鏡支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計時，不僅要滿足設(shè)計指標要求，更要注意模塊化和參數(shù)化設(shè)計，簡化支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計流程，增強支撐結(jié)構(gòu)的可拓展性，縮短設(shè)計研發(fā)周期。此外，Warping Harness 技術(shù)可校正鏡面低階面形誤差，降低子鏡設(shè)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(xué)拼接望遠鏡主鏡的設(shè)計中具有重要的應(yīng)用價值。

（4）現(xiàn)有共相檢測技術(shù)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(shù)量的增加，主鏡系統(tǒng)實現(xiàn)共相的難度和復(fù)雜度進一步增大，傳統(tǒng)的檢測分析方法將面臨巨大的挑戰(zhàn)。將具有強大模式分類和數(shù)據(jù)分析能力的深度學(xué)習(xí)引入拼接共相誤差的檢測，開展基于深度學(xué)習(xí)的共相誤差檢測技術(shù)的研究，可為未來拼接鏡面的共相檢測和調(diào)整提供一個可借鑒的發(fā)展思路。

拼接鏡面技術(shù)解決了光學(xué)望遠鏡口徑無法突破8 m 級限制的技術(shù)壁壘，為未來極大、甚大口徑光學(xué)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(xué) 紅外望遠鏡的自主研制提供參考。