三十米望远镜国际天文台：高意 光学元件 望远镜高意 光明未来

一个真正伟大的想法

自伽利略发明望远镜以来，天文学家们一直致力于制造越来越大的观测设备。原因在于简单的物理原理：望远镜越大，成像就越清晰、越明亮，从而能够更深入地观测宇宙。

正因如此，来自美国、加拿大、日本、中国和印度的合作伙伴们齐心协力，共同建造了三十米望远镜（TMT）。作为参考，目前在运行中的最大光学波段望远镜的主镜直径为10.4米。因此，30米口径的望远镜在成像能力方面代表着一个巨大的飞跃。

大型反射望远镜使用镜子作为其光学元件 而非透镜）。 然而，制造直径超过约8.5米的望远镜主镜并不现实。为了进一步增大口径，主镜通常由多个较小的镜片拼接而成。将这些独立镜片制成六边形，可以优化光学设计。这样，各镜片就能以近似圆形的排列方式紧密拼接在一起。

虽然对于望远镜而言，口径越大越好，但只有当光学元件 极光学元件 真正获得更好的成像质量。具体来说，这要求镜面的整体形状必须与设计形状完全吻合，且镜面必须光滑，其形状精度需控制在仅几纳米之内。

高意 TMT项目

三十米望远镜的主镜将由492块独立镜片组成，每块镜片的对角线长度均为1.44米。主镜的整体形状为双曲线。这意味着每块独立镜片都是这种形状的离轴片（TMT所有镜片共计有82种不同的形状）。这种形状被称为“自由曲面”。

全世界只有少数几家机构能够制造直径超过一米且符合TMT要求的精度标准的自由曲面镜片——尤其是要实现大规模生产。三十米望远镜国际天文台（TIO）已选定四个独立团队（分别位于美国、日本、中国和印度）来制造这些光学元件。

高意 前身为Tinsley Laboratories）被选定为美国地区的供应商。 我们将共生产230块镜片——数量超过其他任何团队。高意 为在印度工作的团队高意 镜片抛光设备、夹具和测试设备。印度工程师高意接受了所有设备的操作培训。此外高意 将随设备前往印度，协助安装和调试。

制造挑战

抛光米级高精度自由曲面主要有两种方法。对于形状与简单球面存在显著偏差的镜片，通常采用所谓的“子孔径”抛光法。在此方法中，使用比光学元件小得多的抛光工具，每次只处理一个区域，并通过重复该过程来覆盖整个孔径。

对于形状更接近球体的镜面，可以采用一种名为“应力镜面抛光”的巧妙方法——这项技术自20世纪60年代起就被商业应用于非光学元件 甚至适用于地面望远镜等大面积镜面。TIO的一位发言人对此表示认同，并指出：“这种抛光方法源自凯克双星天文台的望远镜。” TMT很自豪能运用这项技术来优化镜面的形状，并保持抛光方法的高效性。” 具体而言，将光学元件机械夹紧，使其表面产生有意的变形。随后采用标准球面抛光方法进行抛光，使用覆盖部件口径85%的抛光工具。抛光完成后，松开夹具，部件便会“回弹”至最终所需的自由曲面形状。

应力镜面抛光通常是制造大型光学元件的一种更快且更具确定性的方法。其速度更快，是因为分区抛光每次只处理部件的较小区域，因此通常需要更多的加工周期才能覆盖整个表面。此外，分区抛光不可避免地会在表面产生微小的波纹或表面残留。 对于高性能光学元件而言，必须去除这些缺陷，这可能需要额外的耗时工序。应力镜面抛光通常更具确定性，因为其基于的技术本质上能产生近乎完美的平面或球面形状。

当然，应力镜面抛光需要使用精密工具，以施加恰到好处的力来使基板发生形变。高意 32种不同的镜面形状（或类型），制作这些专用模具可能会占用大量生产时间。为避免这种情况，高意 通用工具，可以通过编程设定所需的力分布模式，从而对TMT分段的所有不同形状进行抛光。

与高意合作

“从一开始，我们就将高意 潜在供应商高意 因为他们在大型光学元件 拥有成熟的技术实力和良好的信誉，”TIO首席光学制造工程师格伦·科尔指出。“他们曾为哈勃太空 成功完成了多个项目——其中最著名光学元件 校正其有缺陷的主镜光学元件 COSTAR光学元件 。 更近期的例子是，他们为詹姆斯·韦伯太空 制造了全部18块1.4米铍主镜分段。”

“但我们同时也需要一个技术转让合作伙伴，即能够帮助我们在印度的团队顺利开展工作的伙伴。高意 支持 能力高意 这是我们选择他们的关键因素。而他们迄今取得的成功也证明，我们的选择是正确的。”

“2017年我们首次高意 授予高意 时，完全没有预料到全球新冠疫情的爆发，”科尔补充道，“这导致我们所有工作都陷入停滞，项目进度也因此大幅推迟。但高意 为我们的项目高意 大量工程资源，还专门建造了一座更大的厂房，以应对TMT分段的大批量生产。这使得他们在我们所有人结束封锁后，能够保持项目的推进势头。 此外，他们在解决各类问题或应对制造过程中出现的突发状况时，展现出了惊人的能力。这正是他们凭借制造光学元件积累的丰富经验所带来的优势。”

由于我们在抛光首批镜片（因其圆形而被称为“圆片”）方面取得的初步成功，TIO于2020年再次与我们签订了合同。该合同的内容是将我们生产的所有圆片切割成最终的六边形（这一过程被称为“六边形化”）。

TMT 是一个宏大的项目，未来将面临许多令人振奋的挑战。鉴于詹姆斯·韦伯太空 （JWST）传回的图像已如此惊艳，我们预计 TMT——其集光面积是 JWST 的 20 多倍——将呈现出更加令人叹为观止的科学图像。 

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