為何要用許多小鏡子組合成一面大鏡子呢?

本文以凯克望遠鏡為例,探讨了為何要使用許多小鏡子組合成一個大鏡面的问题,並介紹了組合鏡面技术。文中指出,單片大口径望遠鏡鏡片存在基础设施难以支撑、运输困难、製造难度大、成本高等问题,組合鏡面可以解决這些問題,但需要克服共焦、共相位等技术难点。

為何要用許多小鏡子組合成一面大鏡子呢?

美國夏威夷島上的馬納基亞山上,排列着各式各樣的望遠鏡。在這些望遠鏡中,名為「凯克」的兩架望遠鏡堪稱王者。如果你有機會看到它們的主鏡,你可能会對望遠鏡有全新的看法——它们的主鏡不是一面完整的反射鏡,而是由36個六角形的小鏡子組合起來,看起來像一個馬蜂窝。這些小鏡片組合起來,其功能一点也不比大镜面差。

這種技術稱為 “拼接反射鏡” 。為何要采用拼接反射鏡技術呢?因為望遠鏡的口径越大,能接收來自遠方天體的光線就越多,能看見越遠越暗的天體,也能看見越清楚的天體細節。但當口径達到約8米時,更大口径的鏡片遇到了意想不到的問題,其中最主要的麻烦是現有基礎設施難以满足大口径鏡片的要求。如果製作一面10米口径的鏡片,该如何运输呢?那時候車輛不足够大,道路、橋梁和隧道也不够宽。此外,製造更大口径的鏡片难度大、成本高。

人們想出了一个办法:把大口径的鏡片分成許多小鏡片進行拼接,这样既降低了製造成本,也避开了基礎設施的限制。然而拼接而成的鏡片面臨一系列問題。這些小鏡片必须精確地把收集到的光線汇集在一起 —— 即 “共焦” ,共焦之后才能发挥所有小鏡片收集光線的能力。但是,要讓這些小鏡片協同工作,達到一面大鏡片的清晰程度,除了共焦,每個小鏡片反射光線的相位差還要非常小,这叫 “共相位技術” 。這種非常困难的技術,凯克望遠鏡做到了這一點,因此才拍出了細節明顯的天體照片。