華中科大「三鏡」設計者：兩種技術方案比較｜大望遠鏡爭議之五

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國家天文台興隆基地的郭守敬望遠鏡（LAMOST）。圖片來源：lamost.org

編者按：

        《知識分子》繼續保持中立立場，刊登來自華中科技大學「三鏡」方案主要設計者馬冬林博士對於此前大望遠鏡技術路線爭議的回應文章，以期提供更多技術論證內容，供識者參閱。歡迎不同觀點來信爭鳴。

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LOT望遠鏡兩種技術方案比較

撰文｜馬冬林（華中科技大學）

8月4日陳建生院士的一封公開信讓天文界針對十二米大型光學紅外望遠鏡（LOT）設計方案選型的爭議為大眾所知曉。陳院士在公開信中系統地披露了中國天文學界科學需求與南京天光所堅持「自主創新」技術路徑之間所存在的分歧與矛盾，引起了社會公眾的極大反響。

目前學術界以及社會公眾仍然對於兩個技術方案的爭議存在疑惑。為了進一步釐清事實，我作為華中科技大學三鏡方案的主要設計者，現將截至目前所引發的三鏡系統和四鏡系統之間的爭議從技術角度進行進一步地闡述。

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三鏡和四鏡設計方案

如圖1所示分別為華中科技大學提出的三鏡設計和天光所提出的四鏡設計的光路示意圖。從圖1(b)中可以看出，為了使光束能夠抵達M3鏡，M4必須中心開孔，而且望遠鏡工作視場越大，則相應的開孔則越大。

                                             

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圖1. LOT兩種設計方案：（a）三鏡設計；（b）四鏡設計

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四鏡設計的主要問題

天光所提出的四鏡系統通過增加鏡面數來提高大視場的成像質量（僅僅是設計像質，實際上因為各種客觀因素的限制無法實現），則相應地必將大大降低系統通光效率、增加系統反射損失，同時更加複雜的結構也會導致造價的提升以及其他一系列的工程問題。主要體現在如下幾個方面：

第一

，四鏡系統增加了一面額外的反射鏡。如果採用成熟的鍍鋁膜技術，而鋁膜兩年內的平均反射率在87%左右，則相比三鏡系統至少增加了13%的反射損失。

第二

，四鏡系統M4中心開孔存在一個極大的漏光損失(15角分對應12%的漏光，20角分對應25%的漏光損失)。為了減小第四鏡M4中心開孔的漏光損失，對不同視場的天文觀測，需要更換不同大小開孔的第四鏡（漏光仍然無法避免）。多個M4的加工製造以及切換系統無疑增加瞭望遠鏡的建設成本和不必要的運營風險。

第三

，四鏡設計由於主鏡下面懸吊一個反射鏡，相比RC三鏡系統增加了鏡筒長度，在增加圓頂造價成本的同時也進一步會增加了空氣在鏡筒（dome）內的湍流，從而影響望遠鏡的成像質量，降低科學產出。

第四

，四鏡系統面臨同軸上三個非球面鏡之間的裝調，其裝調難度遠大於三鏡系統。

第五

，四鏡系統中副鏡（凸鏡）設計尺寸大（超過三鏡系統的副鏡至少50%以上），且圓錐常數較三鏡RC系統而言大很多，非球面度明顯更高。由於凸鏡本身不易檢測和加工，因此四鏡系統的副鏡加工難度非常大，需要更長的加工時間，也進一步提升了加工成本。

第六

，四鏡系統具有更加複雜的機械結構和更長的光路，因此四鏡系統抗外力（如圓頂內氣流、風力和重力等）影響的能力遠不如三鏡系統，會極大地增加工程化難度和成本。

第七

，四鏡系統沒有在大望遠鏡上的成功實踐，技術風險較大。四鏡系統在設計和建造上會耗費巨大的時間成本和試錯成本。

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三鏡和四鏡設計的科學與光學性能比較

3.1 總體科學需求

針對十三五期間立項建設的「大型光學紅外望遠鏡」，發改委頒布的指南明確要求建設一架12米級口徑的光學紅外望遠鏡，最暗天體成像極限亮度達28星等，最暗天體光譜極限亮度達到25星等。這就要求我們的十二米望遠鏡必須具備Keck望遠鏡光譜觀測能力。從最新掌握的數據看，中國十二米優選台址阿里地區的視寧度比Mauna Kea這樣的台址差25%左右。這樣，十二米望遠鏡相對較大的通光口徑被相對較差的氣候觀測條件所抵消。所以，中國十二米則必須具備與Keck望遠鏡相當甚至更高的通光效率，才能達到國家指南要求。顯然，四鏡系統的設計由於第四鏡中心開孔損失以及多一面鏡子的反射損失，難以達到Keck望遠鏡的通光效率。因此，四鏡系統在觀測暗弱天體能力方面無法滿足國家發改委所頒布的指南要求。

3.2 大氣湍流主導下的天文觀測

如果LOT望遠鏡在沒有自適應光學校正的情況下進行觀測，那麼望遠鏡的成像質量完全由望遠鏡所在台址的大氣湍流情況（即大氣視寧度）所主導。目前，根據已有的觀測數據，阿里地區的大氣視寧度大概在0.9角秒左右。而三鏡設計即便在20角分的視場範圍內，其設計像質也優於0.2角秒。因此，在大氣湍流主導的條件下進行觀測時，三鏡系統和四鏡系統的成像質量基本相當，其觀測性能完全由系統的通光效率決定。顯然，四鏡系統的通光效率比三鏡系統要低25%到35%，因此其觀測能力不如三鏡系統。

3.3 極限自適應光學（ExAO）校正下的觀測

地基望遠鏡只有通過極限自適應光學進行校正之後才能夠實現衍射極限的設計像質。然而，極限自適應光學的校正視場範圍一般只能在數角秒到一角分之間。因此，我們一般採用中心視場的像斑中心亮度來評估望遠鏡在ExAO校正下的觀測能力。

根據前面介紹，四鏡系統的M4必須中心開孔。三鏡系統和四鏡系統在中心視場範圍內均能夠實現衍射極限的光學設計。然而，由於四鏡系統的M4中心開孔會帶來嚴重的衍射效應，會使得艾里斑能量向高衍射級次的環帶遷移，從而嚴重降低中心視場的像斑中心亮度。舉一個例子，如果四鏡系統採用14角分的開孔設計，考慮鏡面反射損失，其耐焦的像斑中心亮度要比三鏡系統的耐焦要低至少32%，而比三鏡系統的卡焦則要低至少40%。因此，我們可以得出結論，在ExAO校正條件下的觀測中，四鏡系統的科學與光學性能遠不如三鏡系統。

3.4 近地自適應光學（GLAO）校正下的觀測

GLAO是最近幾年國際上發展起來的一種新型的自適應光學技術。它通過僅校正靠近地表層的大氣湍流來實現較大視場範圍內望遠鏡成像質量的提升。其理論上的校正視場範圍能夠達到10角分，甚至15角分。

但是，GLAO校正能力有限，無法達到衍射極限的成像質量。因此，即便在15角分以內，無論是三鏡系統還是四鏡系統，最終的成像質量也由GLAO校正之後的大氣擾動所主導，二者的成像質量依然相當，望遠鏡的觀測性能也主要由望遠鏡的通光效率和有效口徑所決定。

而且， GLAO是一種難以實現且不穩定的大氣改正，這主要體現在如下幾個方面。 第一，GLAO的表現能力將隨著大氣狀況的變化而變化，因此在一晚上的不同時間段，表現性能會有所不同。第二，GLAO的性能嚴重依賴於是否存在有明顯湍流的接地層大氣，目前沒有證據表明阿里地區存在明顯的湍流分層。第三，GLAO系統的校正能力依賴於副鏡的共軛高度，而四鏡系統副鏡相對於主鏡的共軛高度與RC設計一樣均在地表層以下，在GLAO設計上與RC相比並沒有優勢[8]。第四，實現寬場（視場大於5角分）GLAO是世界性難題，目前並無先例。目前，世界上具有最寬視場範圍（4角分）的GLAO是通過LBT格里高里望遠鏡（AG）在紅外波段實現的，該望遠鏡實現了副鏡和接地層大氣之間的共軛。第五，建造研發一個擁有500個促動器的1.8米自適應副鏡是極端的技術挑戰。目前，自適應控制的副鏡最大尺寸約為1.1m（VLT）。第六，四鏡系統在增大GLAO校正視場方面跟RC系統相比沒有任何明顯的優勢，而其在目前已實現的GLAO校正視場範圍內（小於4角分），其成像質量反而不如RC系統。因此，即便我們國家具備與目前最先進的LBT同樣的GLAO技術能力，四鏡系統的GLAO觀測性能依然不如三鏡RC系統。

3.5 四鏡系統M3的其他影響

四鏡系統額外增加的中繼鏡M3對系統存在著多方面難以克服的約束。第一，四鏡系統M3離主鏡距離較遠的情況——望遠鏡整體平台升高，從而增大鏡筒長度，增加圓頂造價；第二，四鏡系統M3離主鏡距離較近的情況——耐焦距離主鏡邊緣很遠，耐焦平台的重力穩定性難以保證；第三，四鏡系統M3佔據瞭望遠鏡對稱性和通光效率最高的卡焦（如圖1（b）所示）。

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其他技術性爭議

根據前面的系統分析和比較，我們可以很容易得出結論，四鏡系統的總體科學和光學性能不如三鏡系統。因此，為了論證四鏡更加優越的性能，四鏡方案的支持者提出了許多錯誤的論點或者假設中國具備了很多國際上都不具備的技術能力。在這一節中，秉持科學的立場，擇要摘取幾個比較典型的論點進行深入的闡述，以澄清相關事實。

4.1 觀點一：「四鏡系統多餘的反射損失可以通過鍍銀膜控制在2%以內」

銀膜在可見光波段的平均反射率在98%左右。然而，銀鍍膜的缺點是暴露在空氣中極易氧化，反射率下降速度非常快。如550nm綠光的反射率經過兩年之後會下降到約40%左右。因此，必須採用帶保護層的加強銀膜。然而，目前國內並不具備成熟的加強銀膜鍍膜技術。且加強銀膜的最佳反射率也僅在95%左右。考慮到技術成熟度，中國十二米望遠鏡的首光儀器階段優先考慮鍍鋁膜技術，而在可見光波段鋁膜兩年內的平均反射率為大概87%。因此，四鏡系統增加一面反射鏡至少帶來額外13%的反射損失。

4.2 觀點二：「四鏡系統（五鏡系統）M4鏡作為自適應反射鏡」

這裡存在的疑慮主要有如下幾點：第一、M4 傾角太大，GLAO鏡背後存在很多較重的電子學器件，傾斜那麼大勢必造成電子器件對光通過M4的遮擋。第二、鑒於上一條疑慮，NIAOT考慮參考E-ELT的光學設計擬採用如圖2所示的五鏡系統進行GLAO校正。然而，E-ELT（主口徑39米）用M4做GLAO鏡是因為副鏡M2太大，沒法做GLAO鏡，但10米以及12米級望遠鏡完全不存在這個問題，副鏡做GLAO鏡也足夠好。從經驗上看，自適應鏡的最優選擇是副鏡。國際上已經實現了1.1m級的自適應副鏡的製造，目前也具備1.5m級自適應副鏡的製造能力，完全能夠滿足中國十二米望遠鏡（RC結構）的自適應副鏡的需求。第三、退一萬步說，即使四鏡SYZ系統可以用M4做GLAO鏡，效果比M2好，然後阿里大氣也可做 GLAO, 則是否需要應該完全取決於科學委員會的決定。我們需不需要付出12m 望遠鏡起初15-20年在大氣擾動所主導下的劣勢，然後追求15-20年之後GLAO校正的一點點優勢（甚至很大的可能是最後這個優勢也不存在，如上面的論述已經可以清楚判斷）。這個問題應交由望遠鏡的最終用戶代表，即科學委員會來決策。

同樣，GLAO在實際觀測上具有高度的不確定性。即使國際三十米望遠鏡在考慮望遠鏡性能的時候，也沒有把大視場GLAO作為一個優先考慮。大部分的天文學家都在質疑我們到底有多少比例的晴夜具備長時間使用大視場GLAO的穩定大氣條件。雖然GLAO條件下三鏡系統毫不遜色（甚至可能更優），但我們也認為將GLAO可行性列為中國十二米光學方案選擇的優先考慮因素是不合理的。

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圖2. NIAOT擬採用的五鏡構型的自適應光學系統

4.3 觀點三：「四鏡系統具有『遠心』性，能夠避免使用準直鏡」

「遠心」系統的特徵是入瞳或出瞳位於無限遠處，表現在主光線與物平面或焦平面垂直。主光線即為軸外像點處匯聚的光錐光束中的中心光線，也即通過物點（或像點）和入瞳（或出瞳）中心的光線。為了使進入望遠鏡光譜儀的狹縫或者光纖的通光量最大化，必須保證光束達到狹縫表面或者光纖束面時具有遠心特性，即，光束的中心光線垂直於狹縫或者光纖束所在表面。

從圖3中可以明顯看出，四鏡系統中各視場中的主光線並不垂直於焦平面，因此該系統不具備「遠心」特性。所以，為了提高狹縫或者光纖的接收效率，四鏡系統的儀器介面處不可避免地同樣需要準直器實現輸出光束的準直性。

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圖3. 四鏡系統的「遠心」性

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結論

從如上的分析以及討論中可以看出，四鏡系統無論在大氣擾動所主導的觀測條件下，還是自適應光學校正（GLAO和ExAO）的觀測條件下，其科學和光學性能均不如傳統的三鏡系統。而四鏡系統的建設成本和建造風險則遠大於三鏡系統。所謂「自主創新」也完全是為了創新而創新，不具備任何實際意義，反而容易造成國家經費的巨大浪費。

毋庸諱言，大型光學紅外望遠鏡是服務於天文觀測的大型科學裝置。因此，充分滿足實際的科學需求才是建造大型望遠鏡的最主要目的。而三鏡系統是已經被國際上廣泛驗證過的設計方案。幾乎所有國際上主要的10米級大型望遠鏡如美國的凱克(Keck)、大雙筒望遠鏡(LBT)、日本的斯巴魯(Subaru)、歐洲的甚大望遠鏡(VLT)、以及美國在造兩台三十米級望遠鏡（GMT和TMT）等都採用的是三鏡系統。而且，通過國際上現有的三鏡系統的使用情況可以看出，經典三鏡系統完全能夠滿足目前全部的科學需求。

此外，光學系統影響著整個望遠鏡的全局結構與功能，是望遠鏡中最核心的關鍵系統。望遠鏡光學方案的選擇也直接決定瞭望遠鏡的整體性能、望遠鏡系統工程製造的風險、望遠鏡造價以及望遠鏡使用的便捷性等。世界上沒有完美的光學系統，我們也不可能設計一個面面俱到的光學系統。光學方案的確定，是利害權衡的結果。因此，綜合考慮望遠鏡光學性能、科學性能、工程化能力以及工程造價等因素，我們認為，華中科技大學提出的三鏡方案是中國十二米望遠鏡設計方案的不二選擇。

 

附錄：本文縮略詞簡表

LOT：Large Optical-infrared Telescope（大型光學紅外望遠鏡）;

LBT: Large Binocular Telescope（大雙筒望遠鏡）;

VLT: Very Large Telescope（甚大望遠鏡）;

GMT: Great Magellan Telescope（大麥哲倫望遠鏡）;

TMT: Thirty Meter Telescope（三十米望遠鏡）;

GLAO: Ground Layer Adaptive Optics（近地層自適應光學）

RC: Ritchey–Chrétien;

AG: Aplanatic Gregorian;

NIAOT: Nanjing Institute of Astronomical Optics and Technologies（南京天光所）

ExAO: Extreme Adaptive Optics（極限自適應光學）

SYZ：四鏡系統

 

製版編輯： 許逸

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