先前的《切伦科夫望远镜》、《编码孔成像》和《掠射望远镜》三篇文章已经分别介绍了自高能伽玛射线到中低能X射线的成象观测方法，接下来自然要介绍紫外、光学和红外望远镜了。不过工作在此波段的望远镜成象原理比较简单，介绍的文章相当多，无须本人再写一遍，那就先说说现代望远镜的镜坯问题好了。

　

镜坯材料

在乔治·海耳筹建帕洛玛5米望远镜的时代，派克斯耐热玻璃是大型望远镜镜坯的首选材料。但这类玻璃的耐热是相对的，只是热胀冷缩系数小于普通玻璃而已。

如今，大型望远镜口径动辄8米10米，这样大小的镜坯就算采用耐热玻璃，热胀冷缩也是绝对不可忽略的。虽然当下已经有了可以修正镜面形变的主动光学技术，更好的解决办法还是控制镜坯材料自身的膨胀率。于是，一系列超低膨胀（ULE）玻璃应运而生。

其中的典型代表是Schott玻璃公司在1960年代末开发的ZERODUR微晶玻璃，其控制热膨胀的原理是其中含有结晶相与玻璃相两种不同的成分，前者有负的热膨胀系数，后者则有正的热膨胀系数。如果控制结晶过程进而调节两种成分的比例，就可以将热膨胀系数控制在零左右。除却热膨胀系数极低外，均匀性与相对高的硬度也是其特点。ZERODUR的用户除下图所示的甚大望远镜外，还包括机载红外天文台SOFIA、10米凯克望远镜以及我国正在建造的LAMOST望远镜等大型项目。

采用ZERODUR材料的欧洲南方天文台甚大望远镜镜坯（图片提供：Schott Glass Technologies）

超低膨胀玻璃家族还包括科宁玻璃公司开发的Cervit、通用电气公司开发的熔融石英、前苏联开发的Astro-Sitall等，其中又数ZERODUR和熔融石英材料质量最高，应用最为广泛。实际上不仅仅是光学望远镜，钱德拉X射线天文台等大型高能观测设备也采用了超低膨胀玻璃作为镜面材料。

钱德拉X射线天文台的超低膨胀玻璃掠射镜（图片提供：Schott Glass Technologies）

在大型红外空间望远镜上，金属铍是首选。一来此类材料质轻易发射，二来在太空的低温条件下足够稳定，只是这些优点以代价加工复杂外带价格高昂为代价。

　

镜坯浇注与研磨

传统的望远镜建造过程是研磨抛光整块的平板玻璃。不过对于现代大型望远镜来说，等待平板镜坯全部浇注完毕再考虑研磨问题是费力不讨好的事情，所需时间太长不论，还会白白浪费大量原材料，因此常采用的方法是在浇注时即让镜坯大致成型。

具体方法主要有二：一是转炉浇注，二是采用小型玻璃坯拼接成形后加热熔融。其中后者资料较少，个人所知仅用于昴星团望远镜的建造，是用55块六边型超低膨胀玻璃拼成凹面后再熔合而成的，仅此过程就花费了3年之久。这一方法要求各玻璃块的成分、性质高度均匀，所幸当下的超低膨胀玻璃可以满足这一点。

拼接过程中的昴星团望远镜镜坯（图片提供：NAOJ）

转炉浇注则是把熔融的玻璃倒在旋转的模具上，离心力的作用使镜坯在冷却过程中自然形成曲面。控制转炉的转速就可以调节曲率。这样的方法始见于1980年代末。虽然成品的曲率不能完全满足要求，表面精度也是相对粗糙，不过还是能大大减少研磨抛光的工作量。

研磨、抛光方面的主要挑战是镜面焦比。为提高集光能力，当代大型望远镜的焦比越做越短，相应的镜面曲率也要加大，磨制难度可想而知。另外，对面形精度的要求也近乎苛刻：根据理论，如果要保证像质达到衍射极限，镜面与理想抛物面的差别不可大于波长的1/8，这只相当于几百埃。再结合镜面的尺寸，抛光过程往往持续3、4年之久，而且还要借助主动研磨、离子加工等技术。几乎所有大型望远镜的宣传片都要不厌其烦地宣称如果把镜面放大到某某海或某某市的大小，其上最大的起伏不过几毫米，以示其精度之高，当然这也足以满足最挑剔的需要。

欧南台甚大望远镜主镜的抛光（图片提供：ESO）

　

蜂窝镜坯

新近兴建的中小型望远镜往往采用“蜂窝”结构的镜坯，即在镂空的蜂窝形玻璃支架的顶部覆盖一层弯曲的玻璃镜面，在保证镜坯刚性的同时大大减轻了重量。早在1930年代，帕洛马天文台的5米海耳望远镜就采用了这一技术。

5米海耳望远镜的主镜，蜂窝结构清晰可见（图片提供：Palomar Observatory）

当然，当代蜂窝镜坯的制造比当年的帕洛马天文台更进一步，镜坯内有一半以上甚至70%-80%的体积是中空的。其制造过程要涉及背面研磨、水刀切割、超声波加工等技术，最后不同部件的熔融也是至关重要的一步，其中稍有不慎，就会产生衍缝条纹，影响象质。

对于8米级或是更大的望远镜来说，蜂窝镜坯还是过重，因此厚度仅有10余厘米的弯月形薄镜面是主镜的不二之选，当然配套的主动光学系统是必需的。不过这不意味着蜂窝镜坯在大型望远镜上一无用处，包括甚大望远镜在内的一些大型望远镜选用蜂窝结构作辅助反射镜。

甚大望远镜的第三反射镜（图片提供：Schott Glass Technologies）

BTW，大名鼎鼎的哈勃太空望远镜主镜也采用了蜂窝结构。其制造时主镜的微小缺陷却让蜂窝结构的优点转为缺点：因镜面刚性过大，维修成了棘手的问题。故而戏言一句：磨镜精度不高，千万不要采用蜂窝结构。当然，由于自己不是专攻仪器的，这话是否准确还有待商榷^_^

哈勃太空望远镜的主镜（图片提供：STScI）

　

参考资料：

[1]《地基大型光学望远镜》，C·S·鲍威尔
[2] ZERODUR glass ceramic
[3] Milestones of Schott
[4] 短片：European Southern Observatory: To the Power of Four
[5] 短片：Voyage to the Unknown by NAOJ