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- 616期－從零開始的玻璃生活（4月號）
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2021-03-30現代玻璃的科技應用 臺灣自製的太空級天文望遠鏡鏡片
616 期
Author 作者
郭慶祥／財團法人國家實驗研究院台灣儀器科技研究中心副研究員。
玻璃在現代科學研究中仍占有重要的一席之地，其中包含天文望遠鏡的鏡片製作。事實上，太空級天文望遠鏡的大口徑非球面鏡在國際間屬於管制性元件，且價格昂貴、不易取得。所幸在台灣儀器科技研究中心的努力之下，順利製作出福衛五號的主鏡與次鏡，不只能在太空中看得更清楚，鏡片同時也能抵抗太空中極大的溫差，且應用化學酸洗的蝕刻方式消除鏡片加工後的殘留應力，鏡片具有高強度、重量輕的特性。本次的太空望遠鏡鏡片製作，也為臺灣自製太空科技元件的關鍵技術寫下里程碑。
要達成夢想總是要有點瘋狂，為了看到黑洞，中央研究院的天文學家居然把望遠鏡搬去格陵蘭，也因為這樣，結合全球200多位科學家共同努力下，終於拍攝到人類史上第一張黑洞的照片。但是你知道在此之前，臺灣科學家其實已經完成了很多不可能的任務了嗎？例如衛星所需的大口徑非球面鏡，在國際間屬於管制性元件，價格高昂、取得不易，然而，國家實驗研究院轄下的台灣儀器科技研究中心克服重重難關，突破大口徑非球面鏡的技術瓶頸，完成福爾摩沙衛星五號（FORMOSAT-5，以下簡稱福衛五號）主鏡與次鏡的製作。本文將以福衛五號遙測取像儀的大口徑非球面反射鏡製作為主題，介紹太空級天文望遠鏡的設計架構、光學材料選用，以及其製作技術。
非球面光學鏡片讓福衛五號看得更遠更清楚福衛五號上所搭載的遙測取像儀（remote sensing instrument, RSI）簡單來說就是放在衛星上的天文望遠鏡。天文望遠鏡、衛星遙測系統等大型光學系統，由於其光學鏡片尺寸遠大於一般光學系統，因而需要使用非球面光學鏡片，以消除球面像差（spherical aberration），並利用折反射式光學設計，縮小光學系統的長度，福衛五號遙測取像儀採用的卡賽格林折反射式光學系統（Cassegrain reflector）就是其中一種。此種系統設計常見於地對空大型天文望遠鏡，以及可拍攝影像資料的遙測衛星，其系統組成主要為一凹面雙曲面主鏡（primary mirror）與一凸面雙曲面次鏡（secondary mirror），以及修正透鏡組（圖一）。
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圖一：福衛五號遙測取像儀工程體。（儀科中心提供）
一般固定曲率半徑的球面鏡片，為了提高成像品質，必須透過不同曲率半徑的球面鏡片組合，才能讓聚焦更趨近完美，但所需鏡片數目也會相對提高。高階光學系統為了得到更高的成像品質，可將非球面光學元件導入光學系統中，取代傳統球面光學系統中的複雜鏡片組合，降低像差，進而縮減光學系統的體積與重量。口徑較大的光學系統由於對影像品質的要求較高，所使用的非球面光學鏡片的製程也較傳統球面拋光更為複雜，且對於精度要求更高。
光學鏡頭需要對抗太空溫差變化
衛星上搭載的遙測系統，在製作上不同於一般地面使用的光學鏡頭，這是因為太空環境與衛星發射過程所需抵抗的外力等外在因素更為繁瑣。由於太空環境的日照和夜間溫差很大，向陽面可達121°C，背陽面則為-157°C，即便衛星本體有溫控設計，仍須使用不會受到溫度變化而產生熱脹冷縮效應的零膨脹光學陶瓷玻璃（extremely low thermal expansion glass ceramic）來製作太空鏡片。……【更多內容請閱讀科學月刊第616期】