今天的太空望远镜设计人员正在借鉴天文学先驱的经验，重新使用金属镜。1668 年，艾萨克·牛顿爵士使用“镜用合金”为史上第一台反射望远镜制作了反射镜。镜用合金是一种铜锡合金，直到 19 世纪中期，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并且很快就会失去光泽。当今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（固定反射镜的机械结构）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。整体结构可以显著减少零件数量和望远镜总重量，简化并加快组装流程，从而降低成本。
整体式金属镜将光学元件与其安装硬件集成在一起。
材料区别
虽然金属镜明显具有巨大的实际优势，但它们并不是适合每种应用的“最佳”材料。考虑到望远镜的热特性，这个问题尤为明显。这是太空系统设计中的一个主要考虑因素，因为在太空环境中，航天器会暴露在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 热率 (W/m·K) |
|
玻璃 |
熔融石英 |
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
熔融石英和 Zerodur 只是用作镜基板的几种“玻璃”中的两个例子，但它们很好地代表了该类别的材料。它们的决定性特征是极低的热膨胀系数 (CTE)。这就意味着这些材料不会随着温度变化而发生过大膨胀或收缩。
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升温或冷却。因此它们在温度变化时会保持稳定。
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。它具有价格便宜且易于获得的实际优势，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，但刚度却高得多。因为它可以制成薄而轻的部件，但机械强度仍然很高。另外，约 -130°C 以下，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。因此它已用于最苛刻的应用，例如詹姆斯·韦伯太空望远镜的主镜部分。
铍的缺点是它很稀有而且极其昂贵。另外，铍的毒性很大，因此工人在处理它时必须采取及其严格的预防措施。
SiC 的密度比任何其他材料都高。但这并不意味着无法制造轻量化的 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。
如果预计望远镜会经历较大的温度梯度，那么这些特性就使得玻璃成为了首选材料。当望远镜的一部分处于阳光下并升温而另一部分处于阴影中时，就会发生这种情况。阴影遮蔽的部分会变冷，因为它的热量辐射到了太空中。玻璃的 CTE 和导热率低，这就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均匀，则使用金属或复合材料制作反射镜和安装座较为有利。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膨胀会使望远镜失焦。它还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。玻璃镜望远镜的设计人员经常创造出能够最大限度减小这种影响的结构，但这会增加成本，有时还会增加重量。
玻璃具有明显优势
在光学制造方面，玻璃长期以来一直拥有另一项优于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之前的一个多世纪里，人们就已经能够制造这样高精度的光学器件。
要想准确理解“精度”对于望远镜镜来说意味着什么，就必须要了解一些光学表面的规格是如何确定的。根本上说，有两个需要关注的独立领域。
量化望远镜反射镜形状的一种方法是测量其“放大率”（其整体形状偏离所需曲线的量）、其“不规则性”（表面较小尺度的凹凸和波纹）及其“表面粗糙度”（微观尺度上的高度变化）。
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（纳米分数为十亿米）。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微观尺度上的表面粗糙度。望远镜反射镜必须非常光滑，才能最大限度减少其散射的光量。散射光会降低图像亮度和对比度。
为了形成高质量的可见波长图像，望远镜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可以达到的形状精度或光滑度（低表面粗糙度）。为了降低金属镜粗糙度，将一厚层（数十微米）金属铺在镜子上以使其变得平滑。
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。涂层和反射镜基板之间的不均匀膨胀或收缩随使反射镜变形，从而降低成像质量。一直以来这都是部署铝镜的限制因素。
改进金属抛光技术
Coherent 多年来一直致力于改进光学抛光技术。我们开发出了自己专有的计算机控制光学表面处理 (CCOS) 方法，并投入巨资开发先进计量设备。
因此，我们能够抛光金属镜，使其形状精度可与玻璃光学器件相媲美。我们不久前就达到了这一里程碑，而且我们的能力在光学行业中仍然是独一无二的。
最近，我们进一步改进了工艺，显著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，无需任何涂层即可用作反射镜。但更常见的是涂布一薄层（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，可以消除由于涂层和镜基板之间 CTE 不匹配导致的任何问题。
我们的技术可帮助制造新一代高精度金属镜和复合材料镜，提高这些材料可行性，并扩展了望远镜设计人员的工具包。尤其是铝成为一个更具吸引力的选择。它可以在不牺牲图像质量的情况下降低光学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得多，因此可以更轻松地满足生产计划。
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