中国12米口径红外望远镜3镜和4镜方案的优劣比较

中国12米口径红外望远镜3镜和4镜方案

的优劣比较

为什么有“三镜”、“四镜”之争呢？一言以蔽之，就是说两种方案参与了竞争，一种是华中科技大学提出的传统方案（三镜方案），以及南京天光所苏定强、崔向群两位院士提出的“中国自主创新”的四镜方案，也称为SYZ方案。起初在全部由国外专家召开的评审会中，前者（三镜方案）胜出，正准备上报国家发改委进行十三五立项的时候，苏定强、崔向群两位院士直接找到了中科院领导，召开了全部由国内天文学家召开的评审会，会上高票通过了自己的四镜方案。两种方案争论不下，近期更是由一来一回几封公开信将事情的来龙去脉，以及一些细节公开，引起了很多人的关注和讨论。两个方案最大的不同，在于苏、崔两位院士提出的“四镜方案”比华中科技大学的“三镜方案”多出一面镜子，这面镜子就是所谓的“SYZ中继镜”。

在查阅了无数相关的资料后，我总结出以下两种方案的优劣比较。

比较之前，先解释一下基本的概念原理。

望远镜以口径和焦距的比例称为焦比。比如口径2米的望远镜，焦比 f/8，代表焦距是 2 x 8 = 16米。一个望远镜一旦建成，口径就确定了。通常望远镜不会只配备一种焦距，为了实现多种功能，有好几个不同的焦点，每个焦点的焦距不同，配备不同的“终端仪器”。这些焦点各有特色，有的视场大，有的视场小，相应安装的终端仪器也有所不同。天文学家不是直接用镜面工作的，而是用这些焦点上的“终端仪器”来对天体进行观测，比如成像、拍摄光谱。

从左到右是：主焦点；牛顿焦点；卡塞格林焦点（简称卡焦）；耐斯米斯焦点（简称耐焦）。

主焦点是经过主镜一次反射在前方形成的焦点，这个焦点焦比大（f/ 底下的数字小），焦距特别短，对比照相机，可以看成是一个“广角镜头”，视场很大，可以一次观测多个天体，通常会放置大视场的照相机或光谱仪。但是仪器不能太重，因为在镜筒的最前面会让望远镜“头重脚轻”，稳定性和重心都会受到影响。

把主焦点反射到一侧的焦点称为牛顿焦点，在一些爱好者的小望远镜上用的比较多，大望远镜一般不予采用，所以直接略过。

卡塞格林焦点（简称卡焦），位于主镜的后方，经过主镜、次镜（注意这时主焦已经替换成了一个弯曲的次镜）两次反射，焦比适中，焦距不长也不短，是使用非常广泛的焦点，通常布置有暗天体的照相机和光谱仪。

耐斯米斯焦点（简称耐氏焦点，或者耐焦），经过主镜、次镜、第三镜三次反射，位于望远镜镜筒的一侧。在现代大型望远镜中，耐焦是最重要、使用最广泛的焦点。

折轴焦点（或称Coude焦点），顾名思义，是把焦点沿着望远镜的转动轴折啊折，折到下面一个房间去，通常是望远镜最长的一个焦点。例如在我国兴隆观测基地的2.16米望远镜，折轴焦比是 f/45，也就是说焦距长达90米。好比照相机的超长焦镜头，可以看得最远，但是视场也最小，小到通常只能看一颗星，但是由于它可以延伸到特别远，甚至可以跟望远镜不在一个屋子、不在一层楼，而且不随望远镜本身而转动，因此可以放置最大、最重的仪器，比如对天体进行极其精细测量的高色散光谱仪。这是理解不同方案之争的一个重点。

图中多出来一个非常有用的耐氏焦点，可以很好的承担起折轴焦点的绝大部分功能，又避免了折轴焦点的缺陷。因此折轴焦点及其附属的中继镜就不那么重要了。

“四镜”方案还有目的是建主焦点大视场照相机，做光度和光谱巡天。

主焦点大视场并不能给12 米望远镜带来科学上的竞争力，而主焦点大视场照相机是技术上非常复杂，耗钱耗时的工程，根据日本8 米望远镜主焦点项目负责人的估计，中国12 米望远镜的主焦点照相机需要耗时10年，耗资5 亿美元，而且照相机加上多光纤定位系统是一个庞大系统，更换焦点工作非常困难，这对多功能望远镜要经常更换焦点工作会带来操作上的巨大困难。

“四镜”的方案是这样的：

SYZ中继镜方案最初是配合卡焦和折轴焦点共用副镜，方便二者的切换而引入的。SYZ中继镜本身只作用于折轴焦点，并且可以消除折轴焦点的球差和彗差。它解决了卡焦和折轴焦点切换副镜的问题。

“四镜”方案中明确提出要在折轴焦点放置高色散光谱仪，和进行光干涉观测。而实际情况是，高色散光谱仪放在耐氏焦点，或者从卡塞格林焦点用光纤引入。

“四镜”系统最大的优点是增加一块改正镜，在莱焦上20 角分视场可以获得好设计像质，这对于没有大气影响的空间望远镜是绝对必要。但在地面观测受限于天文台所在地近地面大气层的稳定性，无论3-镜还是4-镜得到的像质都一样。

而缺点就是，多增加一镜，会增加光的反射损失，减弱LOT探测暗弱天体的目标能力。更多问题来自于设计中第四面镜（M4）上的开孔。这个开孔进一步增加了光损，而且视场越大洞就开的大，损失光就越多，因此为了少损失光，要多做几个M4，以便观测不同视场用不同大小的洞的M4, 这增加费用，还增加观测上的不方便，会非常耗时，增加了在海拔5000米的候选台址本已充满生理挑战的环境下，运行维护望远镜的难度。

另外，开孔会使星点周围出现更明显的衍射环，干扰对黑洞吸积盘，影响光轴附近高空间分辨、高亮度对比的观测，如对系外行星直接成像观测，而这是12 米望远镜极其重要的科学目标。

我们又要知道，天文观测的对象往往是极为暗弱的天体。穿越了成千上万光年的宇宙空间，每一丝微弱的光线都极其宝贵，对通光效率的要求达到了近乎变态的程度，不允许哪怕一丁点不必要的浪费。光线每经过一次镜面反射，能量就损失到只有原来的 80% ~ 90%。以反射率85%为例，经过4次额外的反射，能量下降到 0.85 x 0.85 x 0.85 x 0.85 = 0.52，即只有原来的一半。实际操作中，多余的镜面如果保养不勤，发生了落灰、镀膜老化、脱落，能量损失就更厉害了。

对“三镜”来说，技术路线采用的是国际上最成熟的技术，国际上已建成的超过10 台10 米级望远镜都采用3-镜系统，因此国际上积累了大量的正面和反面的经验，吸取、消化这些宝贵经验可以最大可能保证成功建成12 米望远镜。