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[其他主题] 长春光机所4米级大口径光电设备制造技术取得阶段性成果

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haojiang77 发表于 2016-4-29 08:44 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
暗夜流星 发表于 2016-4-29 08:38
地基望远镜主动光学主要还是解决的玻璃镜面因为重力和温度梯度导致的变形问题。
碳化硅镜面正好可以克服 ...

那超薄玻璃镜而言,自身刚度不够反而有利于促动器控制吧。
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暗夜流星 发表于 2016-4-29 08:48 | 显示全部楼层
haojiang77 发表于 2016-4-29 08:44
那超薄玻璃镜而言,自身刚度不够反而有利于促动器控制吧。

你有了超硬的材料,很好的刚度,优良的导热性材料。
干嘛还要多此一举,搞主动光学控制?
在此之前,世界上也没有这么大的碳化硅反射镜。
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pingkefu 发表于 2016-4-29 08:54 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
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haojiang77 发表于 2016-4-29 09:00 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
暗夜流星 发表于 2016-4-29 08:48
你有了超硬的材料,很好的刚度,优良的导热性材料。
干嘛还要多此一举,搞主动光学控制?
在此之前,世 ...

超硬的材料,很好的刚度------------即便如此,主动控制也是必要的。刚度再好导热优良,但尺寸太大也需要主动控制,尺寸大到一定规模,问题一样显现。何况尺寸大增时成本也大增,比如与其费劲造一个八米的碳化硅镜,不如用薄玻璃境加主动控制,这么大的尺寸碳化硅一样有型变,既然都要控制,那就把精力放在控制上。
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暗夜流星 发表于 2016-4-29 09:06 | 显示全部楼层
haojiang77 发表于 2016-4-29 09:00
超硬的材料,很好的刚度------------即便如此,主动控制也是必要的。刚度再好导热优良,但尺 ...

你没搞清楚。
必要不必要,看具体情况。
比如你有一个房子,夏天很热,所以你要装个空调。
如果你住的地方冬暖夏凉,装空调干什么呢?有病吗?
以前地基望远镜用玻璃,是因为玻璃好加工,也容易抛光。
但玻璃要做轻量化很不容易,做轻了就会很“软”(相对来说),所以要主动光学。
现在有了碳化硅,我可以做得又轻又硬,而且碳化硅的导热性很好,受到温度梯度的影响也小。
只要变形在可以容忍的误差范围内,就没必要弄主动光学了。
暗夜流星 发表于 2016-4-29 09:09 | 显示全部楼层
pingkefu 发表于 2016-4-29 08:54
不能这么计算吧?望远镜又不是一块实心,镜子体积增加了,各种元器件和镜筒又不会等比例增厚,三十吨可以 ...

不是那么简单的。
只是镜子增大了?
焦距也增加了,否则怎么提高分辨力?
我说 50吨,已经是打了折扣了。
haojiang77 发表于 2016-4-29 09:13 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
暗夜流星 发表于 2016-4-29 09:06
你没搞清楚。
必要不必要,看具体情况。
比如你有一个房子,夏天很热,所以你要装个空调。


我的意思是任何东西规模大到一定程度,原来可以忽略的问题都要考虑,比如地基成像望远镜要求达到光学衍射极限的分辨率,这就要把所有偏差都控制到最小,越大孔径越要控制。
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暗夜流星 发表于 2016-4-29 09:16 | 显示全部楼层
haojiang77 发表于 2016-4-29 09:13
我的意思是任何东西规模大到一定程度,原来可以忽略的问题都要考虑,比如地基成像望远镜要求达到光学衍 ...

你这是一句废话。
谁都知道。
关键就是多大的问题。
haojiang77 发表于 2016-4-29 09:19 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
暗夜流星 发表于 2016-4-29 09:16
你这是一句废话。
谁都知道。
关键就是多大的问题。

关键是地基成像望远镜(天基的侦察也是)分辨率要求太高,要想做到逼近衍射极限的指标不得不考虑这些。
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暗夜流星 发表于 2016-4-29 09:20 | 显示全部楼层
厚薄,软硬,都是相对概念。
1米的玻璃镜没必要上主动光学,4米的玻璃镜可能就需要。
那 4米的碳化硅镜没必要上主动光学,16米的碳化硅镜可能就需要。
真到了重力就能让形变影响观测的地步,碳化硅也可以上主动光学,有什么不可以的?
暗夜流星 发表于 2016-4-29 09:21 | 显示全部楼层
haojiang77 发表于 2016-4-29 09:19
关键是地基成像望远镜(天基的侦察也是)分辨率要求太高,要想做到逼近衍射极限的指标不得不考虑这些。

说来说去,你压根就没搞懂为什么要主动光学。
haojiang77 发表于 2016-4-29 09:30 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
暗夜流星 发表于 2016-4-29 09:20
厚薄,软硬,都是相对概念。
1米的玻璃镜没必要上主动光学,4米的玻璃镜可能就需要。
那 4米的碳化硅镜没 ...

这个只是镜胚,距离成品还有很多工序,至于要不要主动控制,看今后具体项目披露吧。
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zhh894217 发表于 2016-10-26 11:06 | 显示全部楼层
本帖最后由 zhh894217 于 2016-10-26 11:09 编辑

且说“千里眼”的“角膜”
2016-10-26 王兴、张舸 中科院长春光机所
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作者:王兴 张舸(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)

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:

640.jpg
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?

6401.jpg
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
6402.jpg

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。
6403.jpg
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。

6404.jpg
“吉林一号”卫星

拿开创了我国自主研发商用卫星应用先河的“吉林一号”卫星来说,它采用的也是长春光机所研制的碳化硅主反射镜,不过囗径只有0.624米,在轨的光学分辨率为0.72米,虽然该分辨率在商用卫星中已属佼佼者,但也仅能分辨出野餐时桌布大小的物体。

而如果换成我们的4米囗径的反射镜,其分辨率将小于0.1米,也许下次野餐时,你桌布上有多少个面包,多少个苹果, 在天空的那只“千里眼”都会一览无余。

为什么
选择碳化硅作为反射镜材料?

随着反射镜尺寸的不断增加,反射镜的质量也会越来越大,这将导致整个望远镜系统的重量、制造成本和结构复杂程度都大幅增加。因此,为使反射镜的性能满足成像要求,反射镜材料的比刚度(E/ρ)和热稳定性(λ/α)必须尽可能大,碳化硅(SiC)以其优异的比刚度和热稳定性成为反射镜备选材料的宠儿。
6405.jpg

不同反射镜材料的性能对比

6406.jpg
哈勃主反射镜(2.4m),左侧为焊接中的样子,右侧为镀膜后的样子

举世瞩目的哈勃太空望远镜,其“角膜”材料选用了康宁公司的超低膨胀系数石英玻璃(ULE),囗径为2.4米,但重量高达828公斤;中科院长春光机所于2013年研制的2.4米碳化硅反射镜坯,采用背部半封闭结构,重量仅为420公斤,新近研制成功的4米口径碳化硅反射镜毛坯重量也只有1700公斤,但若采用传统的玻璃材料,为实现可见光范围内观测,4米镜坯的重量将是碳化硅材料4米镜坯的3倍以上。

这就好比将人们眼镜的玻璃镜片(传统玻璃材料)换成当下流行的隐形树脂镜片(碳化硅材料),大大降低了望远镜的重量,既节约了成本,又增加了望远镜的灵活性,可以说是一举两得。

碳化硅材料具备实现大尺寸、轻量化的能力的同时,其良好的热稳定性(λ/α)也是其在这场反射镜材料的“选美比赛”能够胜出的关键。

我们都知道,任何材料在经历冷热变化时都会发生变形,而光学反射镜能够容忍的变形量达到纳米级,比我们头发丝直径的千分之一还要小。因此,作为反射镜材料,拥有“良好的体魄”是至关重要的。

碳化硅的导热系数很高,是传统玻璃材料的近100倍。可以说,与传统玻璃材料相比,热量在碳化硅中传递拥有高铁般的速度。因此采用碳化硅材料制备反射镜,能够最大程度降低镜面上的温度梯度,当环境温度变化时,整个镜体温度能够很快达到一致。
为什么
选择背部半封闭轻量化结构?

尽管碳化硅的密度已经足够小,但对于反射镜的“瘦身计划”还远未完成。为进一步降低反射镜的质量,反射镜普遍采用轻量化的结构设计。

6407.jpg
不同轻量化结构的碳化硅反射镜坯

目前世界上大多数的反射镜均采用开放式的轻量化结构,但与它们不同,长春光机所采用类似“果冻”制品的成型方式,通过一次注模实现具有背部半封闭轻量化结构的镜坯成型,这既避免了实现轻量化结构的复杂机械加工过程,又进一步降低反射镜的质量、提高反射镜的结构刚度。

基于以上原因,碳化硅材料目前已经成为大型望远镜最佳的反射镜候选材料。但大口径复杂形状碳化硅反射镜坯的制造难度非常大,此前世界上最大口径的碳化硅反射镜坯为3.5米,其制备技术仅被少数几个发达国家掌握,而且长期对我国实行技术封锁和禁运。

6408.jpg
3.5米口径的赫歇尔反射镜

这下你明白了吧,中科院长春光机所的这次技术突破意义非凡,它将我国大口径碳化硅反射镜坯制造技术提升到了一个新的高度。

随着技术发展,碳化硅反射镜的应用领域正在不断扩大,在空间对地观测、深空探测、天文观测和量子通讯等方面都能看到它的身影。

大口径碳化硅反射镜坯制备核心技术的突破和4米口径碳化硅镜坯的研制成功,标志着我国大口径先进光学材料研制技术已跻身国际领先行列,相信在不远的将来,大囗径光学望远镜中,必然有属于中国的“角膜”。

作者为中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室研究人员

(本文首发于科学大院,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所供稿,转载请注明出处并保留下方二维码)
http://mp.weixin.qq.com/s?__biz= ... vMNNUbibIXystsaM#rd
6409.jpg
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pingkefu 发表于 2016-10-26 12:05 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
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twz562 发表于 2016-10-26 14:44 | 显示全部楼层
国外之所以用微晶玻璃而不用碳化硅,可能主要还是因为当时技术达不到,因为碳化硅性能太NB了,非常适合做望远镜镜面。碳化硅性能有些像金属,而有些特性却是金属所不具备的。
列举几个主要参数:
密度:3.2克/立方厘米,略高于铝。
线膨胀系数:5×10-6(m/℃) ,几乎低于所有的金属,抗热冲击性非常好,所以应该几乎低于陶瓷或玻璃(微晶玻璃除外)。
热导率:16.7W/(m·K),大约为铁的四分之一,略高于钛,上面帖子说是玻璃的100倍。
莫氏硬度:9.5,玻璃和石英的硬度大约都是7。
从上面看出,碳化硅非常适合用作镜面材料,但美中不足就是加工难度太大,无法浇筑成型,这限制了它的应用。
老外之所以用玻璃镜面,是因为玻璃镜面可以浇筑成型,因为硬度低,打磨也比较方便,为了克服强度不够,将镜面做厚。为了减轻重量,在玻璃中间挖洞,做成蜂窝状(这样强度下降不会太多),采用主动光学控制面型,复杂的结构也导致了镜面变形的不均匀和应力的增加(容易碎)。但如果用碳化硅,情况可能就不同了。
从上面帖子介绍,4米镜面重量1.7吨,则换算出镜面的厚度大约4厘米,可以说非常轻薄,自身重量轻,则重力变形小,带上天也节省燃料,也不会在发射过程中震碎。另外形状的简单,强度高,又比较轻薄,各种干扰造成的误差会比较小,即使采用主动光学,加的促动器也会比较少一些。
关于热导率和膨胀系数,因为热导率高,热量传到的快,温度导致的变形(面型的误差)低于普通玻璃很多,即使0膨胀系数的微晶玻璃,也不是绝对为零的,估计碳化硅因温度造成的面型误差会跟微晶玻璃相当或优于微晶玻璃,又因为碳化硅镜面比较薄,温度导致的面型误差会进一步降低。换算得知,一度的温度梯度,导致的面型误差大约为三分之一个波长,即使采用主动光学技术,控制起来也应该是非常容易的。
另一个就是温度造成的焦距误差,因为传热率高,可以认为整个镜面是沿球面或抛物面均匀膨胀的,假设镜子焦距5米,一度造成焦距偏移20个微米,长焦距相机对焦距变化影响不大(类似于光圈小,景深大),焦面的光斑变化率更是微乎其微(20微米/5米),另外,CCD单个像元尺寸也就是几个微米吧,这点变化几乎看不出。
最后一个就是自适应光学系统,我感觉没有必要,首先是地面上没有稳定的点光源矫正大气扰动的误差,另外如果地面上的望远镜,因为大气层离地面比较近,故大气扰动引起的成像误差是放大的,而在天上,因为离大气层较远,大气扰动引起的成像误差是缩小的。如果一个带眼镜的人从寒冷的外面走进屋子里,镜片上会有一层雾。这时,戴眼镜的人看周围的世界都是模糊的,甚至看不清每个人的面貌,但屋子里的人却能比较容易的看清戴眼镜的人的朦胧的镜片后的那双眼睛。
所以我认为这个碳化硅镜面是非常腻害,非常NB的!
另外,可以试试多镜面,上天后展开,组成更大的,分辨率更高的成像系统
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twz562 发表于 2016-10-26 15:16 | 显示全部楼层
主动光学和自适应光学技术哈勃应该都没有用吧,我感觉这个4米的也可能不会用。
spacedog 发表于 2016-10-26 16:37 | 显示全部楼层
关键看能不能满足使用需要,如果不用主动光学和自适应光学技术也能满足应用的需要(比如一些低轨道普查卫星),那么大人就不必要自找麻烦,增加系统复杂度和成本。
但是对于一些特殊的要求(比如天文观测或者战略侦查卫星——类似于同步轨道高分辨率对地监视卫星),那恐怕还是必须要用主动光学和自适应光学技术的吧
临时扫地僧 发表于 2016-10-26 20:31 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
zhh894217 发表于 2016-10-26 11:06
且说“千里眼”的“角膜”
2016-10-26 王兴、张舸 中科院长春光机所
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原来哈勃用的是早已落后的玻璃镜,怪不得这么重!
oldsong 发表于 2016-10-26 21:33 | 显示全部楼层
zhh894217 发表于 2016-10-26 11:06
且说“千里眼”的“角膜”
2016-10-26 王兴、张舸 中科院长春光机所
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4米的镜胚为什么只做成2.4米的镜子呢?
zhh894217 发表于 2016-10-26 23:17 | 显示全部楼层
oldsong 发表于 2016-10-26 21:33
4米的镜胚为什么只做成2.4米的镜子呢?

没有啊,2.4米的镜子是2013年做的,4米的是2016年成的
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