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机器人:且说“千里眼”的“角膜”--大型光学望远镜的主反射镜

OFweek激光网讯:400多年前,伽利略发明了第一台光学望远镜,将遥远的星空拉近到目之所及,同时也开启了人类利用光学仪器的科学探索之路。  说到光学望远镜,顾名思义,它是利用可见光完成成像的,目前的光学望远镜有反射式和折射式两种,而现代大型的光学望远镜系统均采用反射式结构,因为反射式望远镜没有色差的困扰,可实现紫外线到红外线的大范围观测。下面我们要介绍的就是针对大型光学望远镜系统而言的。  如果把大型光学望远镜比作人类的“千里眼”,那么主反射镜就是这只“千里眼”的核心部件——“角膜”。  你知道目前世界最大的碳化硅主反射镜是哪国研制的吗?没错,就是咱中国,而且是我们拥有完全自主知识产权的!2016年3月9日,世界上最大口径的碳化硅反射镜坯在长春光机所研制成功,镜坯直径4.03米,采用中空夹心的背部半封闭结构,它标志着我国在大口径碳化硅光学材料制备领域取得了里程碑式的进展,填补了国际空白。  长期以来,包括我们中国在内,世界各国的科研工作者都在为制备大尺寸的主反射镜而不懈努力。这是为什么呢?  回答这个问题前,让我们先来看看世界最大碳化硅“角膜”的样子:经反应烧结后的4m碳化硅反射镜毛坯,是不是离你眼中的“镜子”还比较远?  4m碳化硅反射镜毛坯经初步铣磨后的表面状态,是否距离大家想象中的“镜子”近了一步。其实,对于一块光学反射镜而言,这只是刚刚开始,后面它还要经历研磨、抛光、表面改性、精抛光和镀膜等关键技术过程  经历研磨、抛光、表面改性、精抛光和镀膜等过程后,2.04米碳化硅反射镜诞生了,是不是非常“光彩照人”?  接下来,我们就来解答上面提到的那个疑问,同时也对这块“光彩照人”的镜子的核心技术做一解读。  为什么要制造如此巨大的“角膜”?  基于瑞利判据[注]可知,在光学望远镜中,能够分辨两个相邻物像的极限分辨角(θ)越小,光学望远镜的分辨率就越高,能够看清楚的物体尺寸就越小。而极限分辨角是由光的波长(λ)和主反射镜的直径(D)决定的,因此,为了提高光学望远镜的分辨率,对更大尺寸主反射镜的需求是无止境的。  注释  瑞利判据:  在几何光学中,物体上的一个发光点经透镜成像后得到的应是一个几何像点。而由于光的波动性,即衍射,一个物点经透镜后在像平面上得到的是一个以几何像点为中心的光斑,即爱里斑。  如果 另一个物点也经过这个透镜成像,则在像平面上产生另一个衍射光斑。当两个物点相距较远时,两个像斑也相距较远,此时物点是可以分辨的,若两个物点相距很近,以致两个像斑重叠而混为一体,此时两个物点就不能再分辨了。  什么情况下两个像斑刚好能被分辨呢?瑞利提出了一个判据:当一个爱里斑的边缘与另一个爱里斑的中心正好重合时,此时对应的两个物点刚好能被人眼或光学仪器所分辨,这个判据称为瑞利判据。  那么,我国研制的这个世界最大碳化硅“角膜”分辨率究竟如何呢?让我们来举个例子。“吉林一号”卫星 1  2    
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