望远镜的太空望远镜设计人员正在抢天文学先驱的经验，重新使用金属镜。1668年，萨克·牛顿爵士使用“镜用合金”为史上第一台反射镜制作了反射镜。镜用合金是一种铜锡合金，直到19世纪，它仍然是望远镜反射镜的首选材料。然后由于技术进步，人们开始使用玻璃反射镜，因为其效果更好。
金属镜的未来回归
那么为什么现在要重新采用金属镜呢？首先，我们不是要使用镜用合金制造反射镜，因为这种反射镜很难制作，很快就会失去玻璃。前置的先进太空望远镜反射镜由现代铝铍合金以及复合材料材料制成，例如碳化硅（SiC）。
使用这些材料的主要优点是，反射镜及其安装座（反射固定镜的机械结构）可以作为单个整体结构生产。而使用玻璃反射镜很难做到这一点。整体结构可以显着减少零件数量和镜头总重量，简化并加速组装流程，从而降低成本。
整体式金属镜将天博体育中国官方网站元件与安装硬件集成在一起。
材料区别
虽然金属巨大的实际优势，但它们并不适合多数应用的“最佳”材料。考虑到望远镜的热特性，这个问题极其明显。这是太空系统设计中的一个主要考虑因素，因为在镜太空明显环境中，航天器会处于极端温度和快速温度循环中。为了进一步探讨这个问题，回顾一下太空望远镜主反射镜最常用材料的一些关键特性是有用的。
材料 |
密度 (g/cm3) |
刚度 (GPa) |
CTE (10⁶/°C) |
导 热度 (W/m·K) |
|
玻璃 |
石英 |
2.2 |
73 |
0.55 |
1.4 |
ZERODUR® |
2.53 |
90 |
0.1 |
1.7 |
|
复合材料 |
碳化硅 | 2.95 |
410 |
4 |
120 |
金属 |
铍 |
1.85 |
287 |
11.4 |
190 |
铝 |
2.7 |
69 |
23.6 |
205 |
|
ZERODUR® 是 Schott AG 的注册商标
光子晶体和 Zerodur 只是分散镜的几个“玻璃”中的两个例子，但很好地代表了该类别的材料。它们的性决定特征是极低的热膨胀系数 (CTE)。这意味着这些材料不会随着温度变化而发生过大的膨胀或收缩。
而且玻璃的导热性低。结果就是在发生环境温度变化的情况下，他们需要很长时间才能改装或冷却。因此它们在温度时变化时会保持稳定。
相比之下，铝会随着温度的变化而迅速改变形状，并且导热性也很好。它具有价格便宜且容易获得的实际优势，并且可以快速制成成品零件。
铍是一种有点“神奇”的材料。它的密度比玻璃低，但刚度却很高。可以因为它制成薄而轻的部件，但强度机械仍然很不错。另外，约-130°C接下来，铍的晶体形态会发生改变，并且其热膨胀系数变得相当小。凭借这些特性，铍就成为了现在最轻、结构最坚固且热稳定的材料。因此它已用于最色情的应用，例如詹姆斯·韦伯太空望远镜的主镜部分。
铍的缺点是它非常稀有且极其昂贵。另外，铍的毒性很大，因此工人在处理它时必须采取严格的预防措施。
SiC 的密度比任何其他材料都高。但这并不意味着无法轻量化的 SiC 反射镜。这是因为 SiC 刚度非常好。因此，SiC 反射镜和结构可以比其他材料制造得更薄，但仍然相当坚固和稳定。
如果预计伸缩镜会经历更大的温度增量，那么这些特性就使得玻璃成为了首选材料。当伸缩镜的一部分在阳光下并因为另一部分处于遮光中时，就会发生这种情况。遮遮蔽的部分会变冷，它的热量辐射到了太空中。玻璃的CTE和导热率低，这意味着反射镜不会响应温度梯度而迅速改变形状。
相反，如果预计整个结构的温度，则均匀使用金属或复合材料制造反射镜和安装座有利。它们可以高效散热，因此这种系统能够更快地达到热平衡，从而减少瞬态温度变化的影响。
另外，当温度确实发生变化时，在反射镜和支架上使用相同的材料可以消除它们响应方式的任何差异（即使它们是单独的部件）。这很重要，因为反射镜和安装座之间的不均匀地膨胀使软管失焦。它会对反射镜施加应力并扭曲其表面形状，从而降低图像质量。玻璃镜软管的设计人员所开发的结构通常能够最大限度地减小这种影响，但会增加成本，有时还会增加重量。
玻璃具有明显优势
在天博体育中国官方网站制造方面，玻璃长期以来一直拥有另一项媲美其他材料的重要优势。它可以达到极高的成型和抛光精度。早在计算机和激光器问世的一个多世纪里，人们就已经能够制造这样的天博体育中国官方网站器件。
事实上，准确地理解“精度”对于伸缩镜来说意味着什么，就必须了解一些天博体育中国官方网站表面的规格是如何确定的。从根本上说，有两个需要关注的独立领域。
测量直观反射镜形状的一种方法是测量其“放大率”（其整体形状所需轮廓的量）、其“不规则性”（表面粗糙度的凹凸和其周边）“表面粗糙度”（测量尺寸上的高度变化）。
第一个是整体形状，通常称为“外形”或“表面精度”。具体来说，就是镜面的表面形状（曲率）与设计形状的匹配程度。
为了获得优化图像质量，表面形状应与预期值相匹配到150 nm或更高（分数纳米为十亿米）。表面精度规格为60 nm的望远镜反射镜并不罕见。
第二个需要关注的领域是测量仪上的表面粗糙度。望远镜反射镜必须非常光滑，才能最大限度地减少其感光剂的光量。感光镜会降低图像亮度并提高感光度。
为了形成高质量的可见波长图像，伸缩反射镜的最大表面粗糙度应为几十埃。一埃是百亿分之一米。大约是氢原子的直径。
过去，抛光金属镜不可能达到玻璃镜的形状精度或光滑度（低表面粗糙度）。为降低金属镜粗糙度，将一厚层（厚度微米）金属铺在镜上，使其变得光滑。
对于铝镜，使用镍作为电镀材料已成为标准做法。但镍的CTE与铝不同。涂层和反射镜主轴之间的不均匀膨胀或收缩使反射镜变形，从而降低了成像质量。因为这都是应用铝镜的影响因素。
改进金属抛光技术
相干高意多年来一直致力于改进天博体育中国官方网站抛光技术。我们开发了自己的计算机控制天博体育中国官方网站表面处理（CCOS）方法，并投入巨资开发先进的计量设备。
，因此我们能够抛光金属镜，制定形状精度可与玻璃天博体育中国官方网站器件相媲美。我们不久前就达到了这一里程碑，而且我们在天博体育中国官方网站行业中的能力仍然是规范的。
最近，我们进一步改进了工艺，显着降低了金属镜的表面粗糙度。现在我们可以生产出足够光滑的表面，不需要任何涂层即可起到反射镜。但更常见的是覆盖一薄层（远小于一微米）金属或介电材料来提高反射率。金是一种常用的涂层材料。最重要的是，这些层足够薄，可以由于消除了涂层和镜之间的CTE不匹配导致的任何问题。
我们的技术可帮助制造新一代金属镜和复合材料镜，提高这些材料的吸光度，并扩展了伸缩设计人员的工具包。尤其是铝成为一个颇具吸引力的选择。它可以在不成像牺牲质量的情况下降低天博体育中国官方网站器件的成本和发射重量。铝镜的生产速度通常比其他材料快，因此可以更轻松地满足生产计划。
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