2.3　光学镜面的加工和支承

2.3.1　光学镜面的材料特性

为了获得并保持镜面稳定、精确的表面形状，光学镜面材料应该具有一定的特殊性质。现有的望远镜镜面材料主要是硼玻璃、微晶玻璃、熔融石英、超低膨胀材料、碳化硅、一些金属和碳纤维材料。

光学镜面对镜面材料的要求是什么呢？概括起来，光学镜面材料应该有以下几个特点：（1）极好的形状稳定性，使镜面长期保持十分精确的镜面形状；（2）热膨胀系数接近于零，使镜面形状不受环境温度的影响；（3）应该具有一定硬度和强度，以承受加工及运输时的应力；（4）应该可以进行抛光并在真空室中进行镀膜。上列各点中镜面表面硬度一项也可以通过镀硬金属层的方法解决。表2.3列出了常用镜面材料的机械性能和热性能。在镜面设计时应该从经济和性能等方面进行综合考虑采用适当的镜面材料。比如在地面光学望远镜中主要镜面材料仍然是硼玻璃、微晶玻璃、熔融石英和一些金属材料。一些轻型、刚度质量比很高的材料，如铍和碳化硅，则在空间望远镜中获得广泛应用。

镜面材料特性中的一个就是镜面材料所能获得的表面平滑度，或者称为表面粗糙度（roughness）。所谓表面粗糙度是指镜面在极高空间频率上表面高度的均方根误差。镜面粗糙度的测量是一件十分细致的工作，它需要极高的空间频率，如100～200μm－1。表面粗糙度直接影响镜面的散射。在光学波段，表面总积分散射（Total Intergrated Scattering，TIS）为：

式中σ为表面粗糙度。这一公式和斯特尔比公式一致。由于TIS与波长平方成反比，所以在光学和紫外波段，望远镜镜面都要求有极小的表面粗糙度（如图2.21）。

镜面表面粗糙度和材料及加工方法有关。超细抛光的玻璃材料包括熔融石英、硼玻璃可以达到8埃的表面粗糙度，一般抛光可以达到25埃左右的粗糙度。对于金属材料，不锈钢约为40埃，铟钢约为47埃，铝约为53埃。一般镜面要求的总散射约为10－3。在其他材料中，碳化硅材料可以达到12埃的表面粗糙度。这些数据是应用传统精细抛光技术时获得的。具体镜面材料的表面粗糙度可参见本书表10.1。

硼玻璃材料是一种膨胀系数较低的玻璃材料，在微晶玻璃和熔融石英（fused silica or fused quartz）材料问世之前它是光学望远镜镜面的唯一理想材料。目前它主要应用于大型蜂窝镜面的制造中。但是硼玻璃材料在低温情况下有极小的膨胀系数。如果温度在40K时，硼玻璃材料的膨胀系数仅为0.8×10－6K－1。微晶玻璃是在玻璃熔化时加入作为晶化核的化学添加剂，同时通过温度控制使玻璃内产生微型晶体而形成的。微晶玻璃的性质与它的晶体体积比相关，晶体体积比高，膨胀系数小，所以它可能有极低的热膨胀系数。但是微晶玻璃的使用受到了制造工艺的限制。在玻璃结晶时要产生应力，第一，它很难获得极薄的，厚度不均匀的大口径镜胚；第二，它不能像硼玻璃、熔融石英和超低膨胀材料那样由几个部件熔合成特别的形状。熔融石英及超低膨胀的熔融石英是重要的制造特大薄镜面的材料。熔融石英是利用石英晶体在2000℃的高温下经过熔化获得的。在熔化时它的黏度很大，流动性很差，所以只能生产体积不大的镜块。不过它们可以在高温下将不同镜块熔合在一起，熔合的关键是避免镜块和镜块之间的材料流动。它的镜坯是半透明或不透明的。在哈勃空间望远镜中，它被应用于蜂窝形主镜的制造。空间望远镜直径2.4米的主镜面由五个部件熔合而成。这五个部件分别是上、下表面，内、外环面和中间蜂窝状隔板层（如图2.22所示）。熔合过程是在1500℃的高温下进行的。最近昴星座望远镜和双子座望远镜中的特大薄镜面主镜也是由一块块六边形子镜面熔合而成的。这些子镜面首先熔合成一个大型平坦的镜坯，然后放置在一个凸模具上。再将平坦镜坯不断地加热到材料软化时的温度，然后降低温度，升高温度，如此反复使之逐渐成为理想的弯月形形状。由于在这种镜面中含有多个子镜面，各个子镜面由于原料和加工条件的差异，它们的热膨胀系数可能有微小的差别，所以在熔合成大镜面之前，应该对各子镜面在大镜面上的位置进行优化，使得镜面在加工和工作温度的条件下（大概有25度差异）相对表面误差最小，并使得镜面在具有轴向温度梯度时（典型的温度梯度为3度），镜面表面误差最小。

2.3.2　光学镜面的加工

在金属镜面的加工领域内，金刚石高速切削是一种十分有效的方法。金刚石高速切削可以达到3μm的表面精度和小于1μm的表面粗糙度。金刚石高速切削需要使用装有空气轴承的精密加工机床。用这种方法加工的镜面可以用于红外波段的光学器件，但是对于光学镜面特别是大口径光学镜面的要求还相差甚远。

玻璃类的光学镜面的精加工主要是指细磨和抛光的过程。在细磨和抛光过程中，镜面成分的磨削速度可以看作四种因素的函数。这四种因素分别是：磨具对镜面的压力，磨具和镜面的相对速度，磨具和镜面的接触面积以及磨料的机械性质。一般来讲，改善四种因素中的任一个因素均可以提高镜面磨削的效率。一个简单的模型可以将磨削效率看作前三个因素的线性函数。这是镜面磨削的基本理论。对于球面光学表面的磨制一般没有太大的困难。但是对于抛物面形状，我们很难做到磨具与镜面在任何位置上均保持面形的接触。由于抛物面偏离球面的程度可以表示为0.00032D/F3，所以口径D大，焦比F小的主镜磨制困难较大。对于大型薄镜面，其磨制和抛光的困难就更大了。

现代天文非球面镜的磨制可以归纳为三大类。第一类是比较传统的经典方法，第二类是采用可以变形的磨具，第三类是在加工过程中使镜面受力而发生变形，当加工完成以后，去掉所加上的力或力矩，镜面就变为所希望的形状。

第一类镜面加工中磨具又可以分为大、中和小口径三种。利用大口径磨具磨制球面比较简单，由于接触面积大，效率也高。但是当镜面偏离球面较大时，磨具与镜面的接触面积要经过计算和设计，接触面大小和形状与磨具摆幅也密切相关。这时磨具的沥青表面会根据镜面在某一环区所需要的磨削量刻成特别的图案。大口径磨具比较难加工口径大、焦比小的镜面。这时中口径磨具就可以发挥作用。中口径磨具对镜面可以进行局部修整。但是中口径磨具之下的镜面部分并不是轴对称的，为了解决这一问题就是使磨料仅仅在磨具理想的方向上流动，从而避免在其他方向上的磨削。这种方法的作用是很有限的。在大口径镜面的加工过程中有经验的光学技工将会使用小磨具。目前利用现代计算机控制小磨具的磨制方法十分普遍也非常有效。但是小磨具的一个主要缺点是镜面表面的高频率误差。这种高频率误差是很难修正的。不管是大磨具、中磨具，还是小磨具，有一点十分重要，就是镜面在磨具和自身质量下的变形。这对薄镜面的加工尤为重要。在国外一些大型薄镜面的加工中不少采用了分离式气垫的支承系统，所有的气垫在圆周方向上共分为三组，在三组气垫之间利用阀门来控制系统的阻尼。支承气垫的设计要保证气垫在不同位置时均提供相同的支承力。在气垫支承下，镜面的局部变形很小保证了镜面在加工后的表面精度。在蜂窝镜面的磨制过程中因为镜面上表面很薄，在加工过程中具有弹性，容易在镜面上产生蜂窝影子（print through）。这时可以利用真空式磨具。在磨制过程中通过不断对磨削面抽真空，可以使磨具质量的作用减小到零，消除了镜面上的影子（图2.23）。

第二类磨削方法中磨具变形又分为两种。一种是通过磨具本身的设计而得到的效果，它没有主动的变形或加力机构。英国的布朗（Brown，1986）在4.2米望远镜镜面的加工中设计了一个大磨具，这个磨具的加强筋由一圈圈的圆环构成，磨具中没有任何径向的加强筋，同时他将各个加强筋环的底部设计得很薄，这样的磨具径向刚度很低，而在圆周方向的刚度高。在模具上利用沙袋直接加压，沙袋的质量使磨具尽量贴合在非球面镜面上。第二种方法是采用主动变形或加力装置。在磨制梵蒂冈f/1镜面时安杰（Angel）采用了主动控制的变形磨具，磨具上有加力变形的装置，磨具的形状在计算机控制下随磨具的位置和方向变化而变化，取得了很好的效果。

第三种磨削方法的指导思想是通过对镜面变形使得所要求复杂的镜面形状得到简化，从而方便了镜面加工。简单的例子是将所需要的镜面形状在一定的应力状态下，变形为简单的球面。在这个球面加工好以后，解除对这个镜体的应力约束，此时，原来的球面就会恢复变成所需要的非球面的形式。这种方法早期用于施密特改正板的磨制，近来更多地应用在拼合镜面中离轴抛物面的磨制。由于在镜面变形时会引起附加应力，所以这种方法也称为应力抛光。对于口径极大的拼合镜面望远镜，研究表明子镜面的主要形状误差来自像散，而其他各项的误差贡献均十分微弱。这种简单的像散误差可以很容易地通过在一个直径上施加力矩的方法来完全消除。这就简化了应力抛光中的工装设计。

除了传统非球面镜面加工方法外，一种用于平板加工的工艺对天文镜面的加工也有着十分重要的作用。这就是环抛机加工方法。在环抛机加工中，平板浮动在均匀转动的平面磨具之上，随着磨具运动在原地转动。平板外侧有固定镜面的圆环限制它相对于地面的运动。在大型拼合镜面的加工中，常常要加工很多曲率半径大的近似于球面的曲面。这时也可以使用这种环抛机加工方法，这时磨具在运动的时候应该有一个标准的球面对磨具进行修整。环抛方法利用镜面自身重力来获得磨削时的镇压力，这种力比较均匀，容易实现自动化。应用这种方法难以获得非球面面形，但是如果非球面度比较低，可以用于它们的初加工，进一步的抛光借助于其他方法。

一种利用磁流变液进行的非接触式精细磨削也是光学非球面加工的新方法。铁磁流体（ferrofluid）实际上是在液体中间悬浮着无数的磁性微粒的一种材料。在铁磁流体之中，磁流变液（magneto-rheological fluid）是指某些性质会随着外界磁场的存在而显著变化的液体，是近年来新发展的一种新型液体材料。不过在一些专门领域内，常常又把铁磁流体和磁流变液区分开来，这时铁磁流体是专指液体中的磁性微粒很小（纳米级），在磁场的作用下液体的特性没有显著改变的液体。而磁流变液是指液体中磁性微粒稍微大一些（微米级），在磁场的作用下，液体的黏度和剪切应力会产生很大变化的液体。在磁场的作用下，它们甚至可以固化成半液体或者固体的形式。在这种特殊的光学抛光机中，光学元件和磨头相距一定距离，不互相接触。当它们之间没有磁场时，它们的相对运动不产生磨削效应。当在它们之间引入磁场时，半固化的液体有一定的剪切应力，从而达到光学表面的精细抛光的目的。

离子和等离子体抛光也是天文镜面加工的重要方法。离子和等离子体抛光在镜面加工中主要用于精确镜面的最后修整。离子抛光是一种高速离子轰击的过程。在离子抛光之前镜面应该有很低的粗糙度，也就是说镜面应该经过抛光。离子抛光是在真空中进行的。在离子抛光中，镜面材料的去除由离子束轰击函数（beam removal function）来表述。离子抛光是一种不接触的加工方法。镜面材料的去除速度与镜面原有形状无关。通常镜面在离子加工时工作面向下。离子加工的精度可以达到0.02个光波长。它的最大限制是真空室的大小。离子抛光通常用于薄镜面的最后修正。

等离子体（plasma）抛光实际上是一种借助等离子体引起的化学侵蚀过程，它的机理与离子抛光是不一样的。这种抛光过程中加入的气体在等离子体束的作用下与镜面材料作用形成一种活性强的物质，从而从镜面上去除镜体。对于熔融石英镜面，这种反应是：

在等离子体抛光中等离子体束本身还具有一定能量，使化学反应加速。等离子体抛光可以在弱真空中进行。它可以获得精确的镜面形状，它比离子抛光的效率高。

在本节中镜面加工的讨论主要是指玻璃镜面的加工，其他镜面加工方法主要是镜面复制方法，关于复制方法读者可以参考2.2.6节中的讨论。

2.3.3　光学镜面的镀膜

真空镀膜是提高镜面反射效率的最重要方法。一般情况下，每隔半年或者稍长一段时间，镜面就需要重新镀膜一次。传统镀膜方法是辐射或蒸发镀膜（radiation coating or deposition），在真空情况下使铝丝熔化，铝原子辐射蒸发，沉淀到镜面表面。在镀膜之前要去除旧镀膜层，清洗镜面。镜面清洗过程是一个化学过程，一般使用清洁剂或硫酸和铬酸的混合物，具体的酸性化合物要根据镀层的性质来确定。酸洗以后要用水清洗。在清洗过程中应保持镜面潮湿，清洗结束后再用气刀使镜面干燥。在一些天文台还采用干冰作为镜面清洗剂和干燥剂。

真空镀膜室是一个桶型耐压容器，在真空室内镜面常常是竖直放置的。当镜面竖直放置时，金属熔丝不会掉在镜面上。一般金属熔丝等距离地放置在镜面边缘。镀膜时镜室内保持真空，气压在10－4毫米汞柱到10－5毫米汞柱或者更低一些。在镀膜时纯铝的金属熔丝安放在螺旋形的加热钨丝上。在真空中钨丝熔化的温度为1900℃，而金属铝600℃时就熔化，熔化的铝液黏附在红热的钨丝上，到1200℃时，金属铝升华，向空间辐射蒸发。蒸发的铝分子沿直线射向各个方向，沉淀在镜面之上。除了金属铝以外，还可以使用其他熔点低的金属进行镜面辐射镀膜。

在光学波段，天文望远镜镜面广泛使用金属铝膜。但是在红外波段，金或银有更好的反射率。真空辐射镀银面有明显缺点，镀银层和玻璃材料结合不牢，银表面会氧化发黑。这种情况下必须采用新的真空溅射镀膜方法（sputtering coating）。真空溅射镀膜的镀层材料包括金属、氧化物和绝缘材料等。为了使镀银层的附着力提高，可以在玻璃表面和镀银层间加镀增加附着力的粘接层。为了避免镀银面的氧化，增加使用寿命，可以在镀银层上镀上保护层。粘接层可以是金属Cr或Ni，保护层是氧化物Al2O3或SiOx。这种氧化物对光线有吸收作用，所以镀层必须很薄。真空溅射镀膜的缺点是该设备包含有内部电场，结构比较复杂，而且镀膜速度较慢。

真空溅射镀膜是在真空压力容器中进行的，容器中必须有少量惰性气体（在溅射镀Cr或Ni时，使用氮气；而当镀其他镀层时，则使用氩气），容器中主要部件是溅射磁控管。溅射磁控管包括一个通水致冷的，由镀层材料形成的靶标（target）阴极和一个反向电极，阳极。当磁控管在阴阳极之间加上电压以后，就形成一个电场。在靶标阴极背面有强磁材料，从而在阴极前方形成了一个弧线形的磁场，这一磁场会使游离电子产生偏转，集中在阴极板附近，在阴极前方形成一个等离子态区域。当惰性气体的电子被剥离后，在电场作用下，等离子区内的气体离子会不断撞击阴极，使阴极靶标内的粒子逸出阴极表面，形成溅射现象。由于这些粒子附着在镜面表面时比辐射蒸发的粒子有高得多的能量，所以它们会形成附着力高的镀层。辐射镀膜的能量在零点几个电子伏特，而溅射的粒子能量在十几个电子伏特。在溅射镀膜过程中，镀层的材料选择不受材料熔点的限制，有多种选择性。

在双子座望远镜的真空室内，共有三组磁控管，每个磁控管的尺寸是1.8米长，0.3米宽。磁控管上有扇形窗口，以控制镜面镀层形状。在喷镀中，大的镜面需要不停地进行匀速旋转以获得均匀的镀层。

双子座望远镜采用了具有四层不同材料薄膜的银反射面，它们分别是厚度5纳米的氮镍铬（NiCrNx）的下附着层，厚度120纳米的银（Ag）反射层，厚度0.5纳米的氮镍铬的上附着层和厚度85纳米的氮化硅（SiNx）保护层（Boccas，2004）。这种反射层在红外频段有非常低的辐射系数。注意这里附着层是一种磁性材料，对光线有吸收。所以上附着层的厚度不能太厚。双子座望远镜工作在0.4微米及以上的红外波段。这时银镀层具有最高的反射率。如果波长10微米，银和铝的反射率分别是99.5和98.7％。因为1-R=e，那么三面银镜面的辐射吸收量仅仅是三面铝镜面的辐射吸收量的0.38倍。因为望远镜灵敏度与辐射吸收的平方根成反比，所以镀银镜面的灵敏度为镀铝镜面望远镜的1.6倍。其他金属，如金或铂膜也常用于X射线镜面上。真空镀层厚度的测量是采用在标准晶体样片的表面镀膜，然后比较镀膜前后样片谐振频率的变化来实现的。

2.3.4　光学镜面的支承结构

镜面支承的基本要求是保持镜面稳定的表面形状和它在望远镜中稳定的相对位置，以避免受到重力、风力、望远镜运动的加速度影响。镜面支承分为定位支承和浮动支承。镜面的相对位置是由少数定位支承点所决定的。这些定位支承点以及相关的位移传感器不分担或者只分担极少部分的镜面质量。而绝大部分的镜面质量则是由浮动支承所承担的，这样就避免了镜面形状的改变。镜面浮动支承的效果相当于镜面浮动在与它同密度的液体之中，这种支承不会产生镜面的表面变形。由于镜面重力方向会随着高度角变化而变化，重力可以分解为轴向力和径向力，镜面的定位和浮动支承系统中，可能同时包括轴向和径向两个支承系统。

2.3.4.1　光学镜面的定位支承

任何刚体都具有六个自由度，三个移动自由度和三个转动自由度。定位支承的目的就是约束这六个自由度。最理想的镜面支承是静定支承，即仅仅对镜面施加正好六个自由度的约束。这六个约束可以施加在一个点上，也可以分散在几个点，或者分为轴向和径向的定位约束组合。三点轴向定位支承是常用的定位约束支承系统。摇板支承是一种三点轴向定位支承和轴向浮动支承合二为一的系统，它是由三个轴向定位点出发，分别用轴承支承一层层的摇动杆或者摇动板来平衡支承六点、九点、十八点，甚至三十六点的一种镜面支承机构。为了防止摇板机构的自重在水平指向时对镜面的作用力，各层使用的轴承位置应该位于所对应的摇板部分的自身重心上。三组人字桁架支承也是一种常用的定位支承。它可以用于轴向定位或者径向定位。注意在桁架中传递力的杆件常常需要增加在两个与之垂直的方向上的柔性关节（flextures）。变异的人字桁架具有梯形的形状，它可以使该桁架将支承力传递到镜面内部。最多点约束的镜面定位支承采用六杆平台的结构，它存在六个约束点，分别形成多个稳定的三角形。多点镜面约束可以使镜面获得较高的谐振频率，这对于大口径镜面的稳定性是十分重要的。

在天文光学望远镜中镜面不希望承受附加的应力，因此在镜面空间定位中，必须十分注意镜面定位点的选择。镜面定位点可以选在镜面外侧，可以选在镜面半径中央，也可以选择在镜面内孔附近。镜室和镜面材料常常不同，因此它们膨胀系数的差别是镜面定位点选择的关键。除了选用膨胀系数相近的材料以外，定位支承常常在较小的中心镜孔附近，定位装置采用摩擦力小的点、线或者弹性接触方法，使用弹簧和扭力弹簧，支承装置应该在非约束的自由度上采用柔性设计，或者配备滚珠轴承来解放定位点的非约束自由度。有的望远镜还采用了空气轴承作为轴向定位支承点。为了保护宝贵的镜面，现代主动式的定位支承装置中除了上述的要求外，还设计了位移和载荷测量仪，载荷控制机构，配置自重变形补偿机构，位移补偿装置和过载保护机构等。

哈勃空间望远镜镜筒是由零膨胀碳纤维复合材料桁架制成，和镜面熔融石英膨胀系数基本相同，使用镜筒桁架作为镜面轴向定位不会因为温度变化而产生镜面变形。这时镜面定位在外边缘三个点上。在空间望远镜的计算中，为了减少温度效应所引起的定位点移动，空间望远镜镜室采用了钛合金柔性双层结构。空间望远镜工作时没有重力影响，定位点不承受温度应力，不过它必须承受火箭发射时加速度频谱的冲击。

对于镜室为钢结构的大型地面望远镜，因为热膨胀所引起的镜面切向应力是一个重要问题，因此定位支承往往选择在镜面的内孔面上。这种支承点不承受或仅承受很小的镜面质量。镜面的内孔支承已经运用于许多中等口径望远镜中。在内孔定位支承的设计中，轴向定位和径向定位都应该设计为一圈线接触，以减少定位点和镜面之间的摩擦力或力矩。在径向定位中定位点应该接近镜面的重心平面。一般情况下，径向定位结构是一个从轴向定位平面上延伸出的圆筒结构，圆筒面和镜面不接触，在圆筒的上方有一个略大于圆筒外径的球面定位面。为了减少热膨胀引起过大的定位应力，圆筒和圆球面的圆周上有数个开口以降低定位面在径向刚度。

对于小口径的光学镜面，镜面定位点可以位于半径的中部，例如一些望远镜的副镜支承就是这样。当镜面口径稍大时这种镜面的三点定位支承同样要注意热膨胀系数的差别所引起的问题。一种在切向引入簧片的三点定位支承应用很广。这种支承可以吸收因为镜面和镜室膨胀系数的差别所引起的应力。三点支承可以利用杠杆原理演变为摇板支承的结构。对于薄镜面，摇板支承同样有热膨胀问题。不但三个主支承点要避免热膨胀问题，而且摇板本身也应选用与镜面膨胀系数相同的材料。在摇板设计中，铟钢是常用的选择材料。

大口径的定位支承常常在镜面半径的中部，如果使用三个点作为轴向定位，常常采用球面和镜面接触。因为温度的变化会使支承点在镜面背面滑动，所以在球面的支承架上连接有滚珠轴承，以释放支承点在转动方向上的自由度。在利用平面空气轴承的定位点上，也常常有球面气垫层以保证接触面的水平度。

大型地面望远镜的径向定位一般选择在镜面外侧。这种径向定位支承常常采用一种切向连杆结构。这种结构包括三根切向连杆，连杆一端连接镜面，一端连接镜室，沿同一个方向在径向支承着镜面。另一种径向定位是沿切向用预应力钢绳将镜面上的三个点和镜室连接起来，钢绳在两个方向上推拉镜面。这种径向定位支承允许镜室较大的尺寸变化。当镜面倾斜时，会产生托力去抵消镜面重力的径向分力，镜面位置不受温度和镜室膨胀的影响。

另一种新型的定位支承是从六杆平台发展起来的支承形式（Parks，1998）。六杆平台的基本原理将在下一章中详细讨论。利用两端带万向节（即柔性扭转连接），可以转动的六根杆件能够实现对一个平台的稳定支承，从而实现对平台六个自由度的约束。望远镜镜面也可以利用这一形式实现支承。如果采用六个支承点，则支承半径是镜面半径的0.67倍左右。这种支承的轴向力稳定、均匀。图2.24所示为这种定位支承的结构。这种结构由于支承杆的长度比较大，所以在温度变化时会产生镜面的轴向移动。为了减少这种影响，可以采用成90°弯曲的杆件，这时镜室与镜面的距离就会大大减少。六杆支承结构在承受镜面的径向载荷时会引起像散，所以一般不适用于镜面径向的支承。帕克斯（Parks）和邵还将这一基本原理推广到18点支承的情况，在18点支承的情况下镜面的支承半径分别是0.408和0.817，外圈有12个支承点，内圈有6个支承点。在镜面的18点支承中18点共分为三组，每一组有个6支承点，采用一个六杆支承装置，每一个支承点均支承着相同的镜面质量。为了避免镜面的过度定位，在连接每一个六杆支承装置时采用了钢丝绳连接。这样镜面正好固定了全部六个自由度，实现了稳定的支承。在这种镜面支承中每一组的下支承点都集中到钢丝绳的附近，以减少支承结构的质量。在设计六杆支承时要注意不要使所有杆件相交于同一个点。如果所有杆件相交于同一个点，这个六杆装置就会不稳定。在六杆装置中只要选定杆件的长度和位置，镜面的轴向支承力均保持相等和恒定，这是这一装置的重要优点。图2.25中所示为这种18点支承的结构，在这一镜室结构设计中径向支承利用了预应力钢丝绳的装置。

2.3.4.2　大口径蜂窝镜面的定位支承

大口径蜂窝镜面体积大，相对强度低，采用六点定位支承可以使镜面系统拥有较高的谐振频率。8.4米口径，三镜面巡天望远镜LSST就采用了新发展的六杆平台的定位支承。这台望远镜的镜室采用了空间桁架的结构，镜筒通过四个点连接着镜室的主十字梁。从十字梁的底部对称分布的六个定位点上支承着六根定位杆（图2.26）。定位杆的上部和镜面的底部连接以决定镜面的位置。在风力影响下或者在望远镜快动时，六根定位杆会承受一部分风力或者惯性力，但是当定位杆内的力传感器获得所受力的信息后，控制系统会将这些力的作用分散到镜面的非定位支承系统中，所以六根定位杆很快就几乎不承受任何镜面载荷。

在每一个定位杆（图2.27）内，有位移传感器（LVDT）测量杆件的长度，同时有位移触动器来保持杆件恒定的长度。位移触动器是由步进电机和行星齿轮带动的消齿隙滚珠丝杆。在位移触动器的上部有过载保护机构和上下两端的防止产生弯转力矩的柔性连接。柔性连接是由互相垂直的，可以产生任意角度弯曲的两个薄片构成，起到万向接头的作用。这个结构常常被称为双轴柔性接头（biaxial flexure）。过载保护机构是两个直径不同的互相抵消的气动压力活塞装置。它的目的是限制定位杆承受力始终小于这两个活塞所产生的压力差。在正常情况下，定位杆有很好的刚度。但是在过载的情况下，刚度消失，允许定位杆的长度发生变化。在定位杆的上部，还连接着一个直径较大的外套筒，外套筒的下部是一个平衡重。这个平衡重装置的目的是抵消和补偿由于杆件自重所引起的定位杆的弯曲。

2.3.4.3　光学镜面的非定位支承

除了摇板式镜面支承外，大部分定位支承都不能承受很大的镜面重力，镜面重力一般总是由非定位支承来承担的。非定位支承主要有两大类：一种是机械式，一种是压力式。机械式的非定位支承一般指杠杆式支承。由于杠杆式结构所产生的浮力正好随镜面高度角呈正弦变化，这和镜面重力的分力变化规律相同。所以这种结构一般不需要附加的调节机构。同时由于杠杆的放大作用，重锤总重力远远小于镜面重力。摩擦力是杠杆结构误差的主要问题。机械式的非定位支承可以用于轴向和径向支承。对于薄镜面的径向支承，凯克望远镜采用了一种薄簧片来传递杠杆的浮力（图2.28），这样可以避免杠杆机械的轴向移动所引起的支承力误差。在压力式的非定位支承中气垫是一种常用的轴向支承形式。气垫和镜面底部有固定的接触面积，通过改变气垫内的压力可以调节支承力大小，所以气垫式轴向支承还需要一个压力调节器以保证气压随高度角正弦而变化。这种调节器结构并不是很复杂。对于镜面的径向支承，一种压力式的支承机构称为水银袋支承。在水银袋支承中镜面的圆周用一环形水银袋包围起来，当镜面在竖直方向时，镜面如同沉浸在水银液体之中受到水银的浮力。浮力大小可以通过调节水银袋和镜面侧面接触的宽度来实现。另一种压力式的支承是应用真空来支承副镜重力的轴向分力，这种支承原理和其他气垫支承完全相同。在光学镜面支承系统中还可以使用力传感器来实测各个支承点受力的情况。简单的力传感器是一种应力放大装置，在应力放大部分利用应力片来测量微小应力变化以获得受力情况。力传感器的使用也使主动控制变得更为简单。新发展的镜面支承均是配置有力传感器和力触动器的主动支承。通过主动支承，大部分的镜面加工和支承误差均可以获得补偿，从而大大降低了镜面加工的难度和成本。