2.2　减轻镜面质量的意义和途径

2.2.1　减轻镜面质量的必要性

光学望远镜中主镜镜面是最重要的部件。主镜镜面有很高的精度，它的质量和造价是望远镜总质量和总造价的决定因素。首先，主镜室质量和主镜质量直接相关，主镜室通过支承机构支承主镜，多数支承机构是浮动式的，支点位置的变化不会传递到主镜的位置上。但是任何机构都有它的动态范围，所以主镜室必须有足够刚度，使镜室变形不超过支承系统的动态范围。镜室线尺度一般大于主镜尺度，镜室材料比重也常常大于主镜材料比重，因此镜室包括其支承机械的总质量要大于主镜质量。相应的，镜筒结构必须支持主镜及镜室，在镜筒的另一端还有副镜或主焦设备，加上可能的卡焦接收设备，因此镜筒质量比主镜面和镜室总质量大得多。望远镜的机架及其他硬件结构质量都直接或间接与主镜的质量相关。在工程中结构质量和造价有直接的比例关系，其比例常数表示结构精度和结构复杂程度。因此，减轻主镜质量对于减轻望远镜整体质量，降低望远镜成本具有十分重要的意义。表2.2列出了传统光学望远镜各基本部件质量与主镜质量的比例关系。从表中可以看出减轻主镜质量，即使主镜及主镜支承结构的造价会因此相对增大，仍然会对降低望远镜的总造价有极大意义。从另一个角度看，随着望远镜口径的不断增大，只有不断减轻主镜的相对质量，才能使特大口径的下一代望远镜计划有实施的现实可能性。

表2.2　望远镜中各主要部件的质量比例

几十年来，减轻望远镜主镜质量已经成为望远镜设计人员的重要研究课题。目前已经发展的减轻主镜质量的方法有：（a）采用薄型镜面，（b）采用浇铸或熔合蜂窝形镜面，（c）建造多镜面望远镜，（d）建造拼合镜面望远镜，（e）采用薄金属镜面、碳纤维镜面及其他特殊形式的镜面等。当望远镜口径在10米之内时，所有这些方法均是可行的方案。但是当望远镜口径远大于10米的时候，建造拼合镜面望远镜或者建造薄膜镜面可能是更为现实的一种途径。

2.2.2　薄镜面

任何薄镜面均可以通过增加支承点数目，减小支承点之间距离来减小镜面表面的变形。从理论上讲主镜径厚比可以越来越大。现有的大口径光学望远镜的径厚比已经超过40，而等厚弯月形镜面的径厚比已经超过110。不过，除非采用在望远镜台址上浇铸镜面的方法，使用大口径薄镜面的一个基本限制是大镜面的运输能力。

使用薄镜面的关键是它的支承机构设计和制造，此外主镜装拆方法，在装拆中主镜承受的应力，主镜的固有频率及支承结构中的摩擦系数等因素也限制了镜面径厚比的增长。

望远镜主镜在工作状态下的应力常常微不足道，但是在装拆主镜时镜面可能达到很高的应力水平，圆形镜面在吊装过程中的最大应力为：

式中K是一常数，它决定于镜面吊装条件，t为镜面厚度，d为镜面直径，q为镜面材料比重。公式2.21的严格条件要求起吊力作用于镜面的中性层，即镜面中在径向不承受拉伸和压缩的中性面层。如果起吊力作用于镜面底面，使用这一公式可以对最大应力水平进行估计。小口径望远镜可以应用中心孔来进行吊装，这时起吊力作用在镜面内孔附近的底面上。设镜面材料比重q=2500kg·m－3和泊松比ν=0.3，图2.14为不同径厚比镜面直径和最大应力之间的关系。图中还标出了微晶玻璃材料的最大许容应力，这一应力为3×106N·m－2，从图中可知大型薄镜面在内孔起吊时最大应力将超过材料的最大许容应力。这时可考虑将起吊力移至镜面外圈。当起吊力作用于镜面外圈时，镜面最大应力与内圈起吊时相同，均为切向应力，但是其数值约减小一半（图2.15）。图中g是重力加速度，ρ为材料比重，σr为径向应力，σt为切向应力。进一步减小最大应力，可以在镜面中部某一圆周进行支承。当支承力作用于镜面半径为0.67R位置时，其应力仅仅是内孔起吊时的十分之一。不过这时最大应力不是切向应力，而是径向应力。同时最大应力也从内孔转移到支承圈上。一般情况下薄镜面在一圈支承下起吊，只要支承半径适宜，常常是安全的。但是这种吊装支承介于复杂的镜面支承之间，在实现上比较困难。一种常用的办法是将主镜与镜室结合起来作为一个整体进行装拆，这就增大了镜面安全因素。另外，利用多点摇板或者真空橡胶吸盘支承也常常是可行的。

外界干扰对镜面，特别是对大口径镜面的影响主要来自风荷。为了减小圆顶室的宁静度，望远镜有越来越暴露的趋向，这样风荷就会对镜面表面形状产生影响。薄镜面支承系统包括很多支承点，各支承点分别承担镜面一部分的质量。但是绝大多数支承点是浮动的，它们不能承受额外的载荷。整个镜面一般只有三个定位点是固定的，这些定位点可以承受有限的外界额外载荷，如果3个支承点位于相距120°的镜面外缘，在外界载荷P的作用下镜面的最大变形为：

上式表明风力引起的镜面变形是径厚比三次方的函数，特薄的大镜面很难承受这种似乎不大的载荷。为了增大承受外界干扰的能力，应该对定位点位置进行优化，这时表面变形可以减少到上式的四分之一。进一步改善镜面在风荷下的性能，可以使用六个定位点或采用主动光学控制系统。

主镜固有频率由下式给出：

式中φ决定于镜面振型。当镜面定位点处于同一圆周时，仅存在一个节圆（节圆是振动中位移为零的圆周），φ值为9.1。如果镜面材料为微晶玻璃，则：

式中d和t以米为单位。当三个支承点位于镜面边缘，径厚比为20和直径为5m时，nR=100 Hz；当径厚比为50和直径为5m时，nR=27 Hz。将三个支承点移到0.7R时，固有频率会减少到原来的四分之一。如果考虑支承点的刚度，镜面轴向振型的公式为（Hill，1995）：

式中m是单位为千克的镜面质量，ν是频率，Ki是单位为N/mm的支承点刚度。过小的轴向振动频率是不可取的。大的支承点刚度可以减少风力和触动器误差所引起的位移和振动。

支承系统的摩擦系数也影响镜面直径和径厚比的选择，平衡重杠杆系统的摩擦系数为0.1％至0.3％，因此镜面的直径和径厚比必须满足：

气垫支承装置的摩擦系数为0.01％时，上式右端常数变为25000（cm）。除了以上限制，镜面浇铸，加工和运输都对大型薄镜面的使用提出限制，更大的镜厚比则要求对有关技术作进一步的改进。

2.2.3　蜂窝镜面的设计

采用蜂窝镜面是另一种减轻主镜质量的方法。蜂窝镜面质量轻、强度高、刚度大，1979年利用空间项目多余的6面1.8米蜂窝镜面，建成了多镜面望远镜（MMT）。1999年多镜面望远镜改造为单镜面的6.5米蜂窝镜面望远镜。最大的蜂窝镜面是8.4米口径。

早期的蜂窝镜面是用机械钻孔加工或者在浇铸时在镜面底部放置柱状填料直接成形，后来采用了将熔石英薄板结构在高温下熔融的方法。蜂窝镜面的迅速发展是在亚利桑那大学镜面实验室成立以后，该实验室发展了一种高温抛物面硼玻璃蜂窝镜面的旋转浇铸技术。这种技术包括镜面直接成形，镜体采用价格便宜的硼玻璃材料，大大降低了镜面生产成本，提高了镜面质量。普通玻璃的热膨胀系数大约是9×10－6/℃，硼玻璃的热膨胀系数是普通玻璃的三分之一。

在制造大口径蜂窝玻璃时，镜面实验室采用硼玻璃材料，当硼玻璃完全熔化（1178℃）的时候，浇铸炉体作匀速的每分钟几转的转动，这时玻璃液体表面自然形成抛物面形状，这个过程和水银镜面望远镜的原理是相同的。在旋转时液体表面形成抛物面形状的公式是，式中ω是转速，g是重力加速度。在液态向固态转变时，要将温度迅速降低到900度，使硼玻璃熔液越过它的结晶温度，直接固化为十分均匀的玻璃体。当玻璃固化以后，需要经过一段长达数月缓慢的降温阶段，以消除玻璃材料中的内应力，从而获得十分理想的蜂窝镜面。蜂窝镜面在工作时需要向镜体背面的小孔喷射冷却空气。蜂窝镜面望远镜的天文观察经验表明这种镜面热容量低，镜面宁静度好，常常可以获得0.5角秒的优秀星像。

蜂窝镜面的刚度与相同厚度实心镜面的几乎相当，而它的质量仅仅是实心镜面质量很小的一部分。根据各向同性的夹层板理论，蜂窝结构的抗弯刚度大约为：

式中t是上下面板的厚度，h是蜂窝层的厚度。这一刚度仅略小于相同厚度实心板的抗弯刚度。但是蜂窝板的质量却仅为实心板的（2t+αh）/（2t+h），这里α≪1是蜂窝层的相对密度。

蜂窝镜面具有极小的热惯性。蜂窝镜面中蜂窝层壁厚很小，一般只有28毫米，所以热惯性小，温度时间常数只有1小时，因此镜体内的温度梯度小（小于0.2 K）。如果在镜体蜂窝中强制通风，则可能使镜体内的温度梯度进一步降低。当材料仅在一个面冷却时，物体的时间常数τ由下式决定：

对于硼玻璃，密度ρ=2230kg·m－3，比热c=1047 J/（kg·K），热传导系数λ=1.13W/（m·K），t为物体厚度。如果希望τ=1000 s，则t～2.2 cm。在这种条件下，如果冷却速率取0.5 K/h，则镜面温度滞后仅为0.25 K左右。因此镜面温度梯度不会严重影响成像质量。不过为了满足冷却速率τ=1000 s的要求，必须采用强制通风冷却。在强制通风条件下，由于能量守恒，有（Hill，1995）：

式中的下标g和a分布表示玻璃和空气，T是温度，Texit和Tinput是出口和进口处的空气温度。空气的比热容是ca=77 J/（kg·K），所以通风时的热时间常数由下列公式给出：

式中η=0.7是在强制通风情况下的热传导系数，而τ则是该条件下的热时间常数。设镜面表面对应的面密度为200kg/m2，则气流的总流量应保证在每平方米表面上不低于0.3 m3/s。确定蜂窝六角的尺寸可以根据表面玻璃层的最大加工变形。对于给定的支承质量，六边形结构有最大的抗弯刚度。在蜂窝结构的表面中心点的最大变形为：

式中q取抛光过程中的平均压力，b是蜂窝中两对边之间的距离，D是表面层的抗弯刚度。在抛光过程中的平均压力为q=0.084 N/cm2，镜面表面厚度为2厘米，中心点的变形取波长的1/20，则b的值就可以确定了。至于蜂窝镜面的厚度则取决于镜面的总变形量，镜面的总变形量一般不超过表层厚度的1/4。由于通风设施全部安排在镜面底部，所以在口径不大时，蜂窝镜面的安装并不特别复杂。图2.16是一个直径1.8米的蜂窝镜面及其支承系统，图中标出了轴向和径向支承的位置。但是当蜂窝镜面的口径在6.5米以上时，单薄的镜面侧壁已经不能够承受镜面的所有质量，所以在镜面底部轴向支承的受力点上还增加了供侧支承使用的倾斜加力装置。镜面重心与底部加力点之间所形成的力矩将由底部轴向支承所形成的反力矩来抵消，使镜面所受力和力矩达到平衡（第2.1.2.4节）。

2.2.4　多镜面望远镜的结构

1979年美国建成了一台等效口径为4.5米的多镜面望远镜（MMT）。这台望远镜包含六个独立的镜面，每块镜面直径1.8米。六个主镜面连同6个副镜，构成了六个望远镜系统。这些系统用坚固的镜筒支架牢固地连接在一起，形成六个独立的焦点。同时有光学零件可以将所有焦点的能量全部集中在一个新焦点上，形成衍射极限的像斑。

这种多镜面望远镜为减轻主镜质量又提供了一种新途径。图2.17是这种新型望远镜的布局。在这种望远镜中，移开到达共同焦点的反射镜后，每一个镜面的光将会聚在各自的焦点上。望远镜分为6个子系统独立工作，对同一天区的不同天体进行观测或者对同一天体在不同频段上进行观测。当每一个镜面的光都会聚到共同焦点时，则望远镜有较大的，相当于4.5米口径的集光能力。

由于多镜面望远镜中每个镜面的面积是望远镜总面积的1/n，因此当单个镜面采用固定的径厚比时，相对于通常的单镜面望远镜来说，望远镜主镜的质量减轻了。多镜面望远镜有很多优点：它的镜筒结构短而粗，有很好的刚度，并因此减小了圆顶尺寸。

另外由于望远镜中六个镜面之间的距离较大，所以在作为干涉仪时，望远镜比单个大镜面的分辨率要高很多。在做单星光谱工作时，由于六个焦点可以沿光谱仪狭缝方向排列，因此避免了大口径望远镜光谱工作中的光能损失。

这台望远镜的原有设想是将所有望远镜的光集中聚焦在一个共同焦点上，形成一个斐塞型的光学干涉仪。由于这台望远镜各子望远镜结构会产生相对位置的变化，同时它缺乏精密的光程平衡装置或光学延迟线，所以它很难实现对光辐射的同相位干涉，很难获得衍射极限下的像斑。另外每一镜面在共同焦点上所成的像面互成一个角度，因此多镜面望远镜只能利用十分有限的望远镜视场。经过十九年的使用后，美国多镜面望远镜在1998年被改装成一个单镜面6.5米望远镜。不过，具有同样原理，含两个8.4米子望远镜，最大基线为14.4米的大口径双筒望远镜（LBT）已经在2008年建成。

2.2.5　拼合镜面望远镜（SMT）

减轻主镜质量，实现甚大口径光学望远镜的一种最重要途径是采用拼合镜面的望远镜结构。和多镜面望远镜不同，拼合镜面是用多块镜面共同组成一大块主镜面，所有的镜面在一个焦点共同聚焦，成像。比较多镜面望远镜，拼合镜面望远镜可以获得较大视场，并且易于实现各子镜面上光辐射的相位干涉。

应用拼合镜面的优点是极大地减轻了主镜质量。拼合镜面望远镜由很多子镜面来构成一个大主镜，例如美国两台十米凯克望远镜（Keck Telescope）主镜均包含36块六边形子镜面，子镜面直径是1.8米，厚度为8.7厘米（见图2.18）。由于镜面变形正比于镜面直径的四次方，子镜面的支承系统并不像大口径薄镜面那样复杂。同时由于镜面单元较小，镜面、镜面支承机构以及镜面运输成本均大大降低。

拼合镜面望远镜中主镜的形状可以是球面，也可以是抛物面。主镜为球面的拼合镜面望远镜有美国HHT和南非SALT。主镜为抛物面的有凯克望远镜和西班牙的GTC望远镜。正在设计的TMT，GMT和ELT也都是主镜为抛物面的拼合镜面望远镜。

当主镜为球面时，各面子镜均具有相同的形状，镜面成本低。但是它需要一个特殊的主焦改正镜，这种望远镜的使用受到诸多限制。比较通用的仍然是主镜为抛物面的拼合镜面望远镜。对抛物面的主镜面，各个子镜面的形状将不再是轴对称的，而是远离轴线的，表面的一部分。这时子镜面加工将是拼合镜面望远镜的一个难题。另外子镜面相对位置的控制也是这种望远镜成败的关键，这方面的内容将在第4.4.2节中加以介绍。在本节中仅简单介绍离轴抛物面子镜面加工的基本原理和方法。

对于二次旋转面（即圆锥曲面），其面形方程可表达为（Nelson et al.，1985）：

这里k为旋转面顶点处的曲率半径，K为旋转面的圆锥曲面常数，坐标系中Z轴为旋转面的对称轴，O点为旋转面顶点。当这个坐标系为新的原点位于子镜面中心的偏轴坐标系P-xyz（图2.19）所代替时，原来子镜面上的偏轴曲面仍可以用三角形级数形式来表示，即

在这一类傅立叶变换的表达式中，前几项的系数有如下形式：

公式中a为六边形镜面的投影半径，且ρ=（x2+y2）1/2/a，式中θ=arctan（y/x），ε=R/k。各项系数的一般表达式为：

当i＞4时，就我们关心的偏轴六边形抛物面面形来说，各个高次项的贡献都很小，可以忽略不计。用以上类傅立叶级数形式表示的镜面可以通过施加弹性变形的方法，使之成为一个对称的球面面形。对于球面面形，K=0，所以仅有的系数为α20=a2/（2k）和α40=a4/（8k3）。为此，将上述表达式与最接近的球面表达式相减，则可以求出镜面在加工过程中所需要的变形量。记这一变形量为（Lublinean and Nelson，1980）：

根据薄板弹性变形理论可以求出获得上列变形量所需要施加的力和力矩的形式。这些力和力矩包括分布于圆板侧面的剪力和力矩，以及分布在圆板面上的分布载荷。它们均具有相对应的级数形式：

通过上述变换，可以求出这些表达式中的相应系数，它们分别为：

式中D和ν分别是镜面抗弯刚度和泊松比（Lublinear，1980）。如果在变形量表达式中存在正弦项，则在力矩、剪力和分布载荷的表达式中也要增加相应的正弦项贡献。经过这一变换，复杂的离轴抛物面的加工问题就转变为一个球面的加工问题，所不同的是在镜面加工过程中需要对镜面施加给定的力矩、剪力和分布载荷。镜面边缘的剪力和力矩可以用图2.20所示的方法施加，而分布载荷则可以应用弹性底支承来实现。子镜面在承受给定应力情况下加工成球面形状并释放应力后就会恢复到所需的离轴抛物面的形状。而所加工镜面和理想镜面的差别则可以用逐次逼近的方法进行改善。在光学工业中，这种特殊的加工方法被称为预应力光学加工。历史上，预应力加工最先用于施密特改正板的加工中。为了实现拼合子镜面的批量生产，可以使用环形抛光机来加工子镜面。这时子镜面将安装在专门的夹具上，夹具对镜面施加所需要的力和力矩。

2.2.6　金属和其他轻型镜面

传统的镜面材料包括微晶玻璃、熔融石英和其他玻璃类材料。非传统的包括金属、合金、碳化硅和碳纤维增强复合材料。另外利用旋转的液体水银也可以形成液体镜面。采用非传统材料的主要考虑是它们的质量和成本。镜面材料的特性将在下一节讨论。

早期的光学反射望远镜采用比较容易熔化的金属或者铜锡合金材料作为主反射镜的材料。这种材料硬度低，抛光表面会很快变暗，反射效率也低。从19世纪末开始反射镜的镜体普遍使用玻璃材料。玻璃表面十分平滑，膨胀系数相对比较小。最近使用金属镜面的尝试包括意大利的两台望远镜，一个是1.5米，另一个是1.4米金属镜面。金属镜面的热敏感度比硼玻璃材料低。它的高热传导率减少了镜面内的温度梯度。但是大的热膨胀系数会产生大的表面误差。

合适的金属材料包括铝、钢、钛、铍和它们的合金。铝的刚度低，但是可以在其表面镀上磷镍合金层。经过表面镀层后，镜面可以抛光，获得光学镜面的光洁度。对铝材的直接抛光的试验也有很大进展，应用中国墨汁作为抛光过程中的润滑剂，铝表面可以获得高的平滑度。钢或者不锈钢也是很好的镜面材料。不锈钢经过硬合金涂镀后，可以抛光到光学表面的精度。铍和钛镜面已经使用在空间红外望远镜上，铍是韦伯空间望远镜的镜面材料。

金属镜面一般采用浇铸方法，但是一种微量沉积式的焊接方法显然有希望用于大口径金属镜面的加工。在金属镜面使用中最大的问题是变形翘曲。金属镜面的翘曲有多种原因，其镜面形状和热处理加工方法是两个最主要的原因。不均匀、不对称的镜面形状将产生明显的翘曲现象，因此金属镜面宜采用等厚的弯月形截面形状。意大利的1.4米铝镜经过十多年的使用，总翘曲量仅仅相当于一个波长，至今仍可使用。如果在镜面上采用主动支承装置，那么金属镜面就可能应用到大镜面上。金属镜面价格最便宜，制造最简单。由于镜面稳定性的试验需要很长的时间尺度，因此大型金属镜面的实际应用还要长时间的努力。

碳纤维合成材料是一种新的镜面材料。碳纤维合成镜面的复制技术是望远镜领域内的新成果。经过近三十年的努力，复制的碳纤维合成镜面可以应用于毫米波、光学、红外和X射线等多个领域。碳纤维合成镜面具有质量轻，稳定性好，成本低等优点。复制的镜面很轻，可以达到每平方米几千克的质量。

镜面复制是利用精确的玻璃模具来实现的。镜面复制中的主要问题是树脂体积在固化时的收缩，树脂的收缩率大，从而使镜面表面产生误差。在复制中要尽量减少树脂的含量。镜面复制中的另一个问题是树脂内的气泡，气泡会降低复制面的平滑度，影响镜体强度。镜体内纤维互相重叠会在镜面上产生纤维影像。实践证明复制镜面的镜面粗糙度常常小于玻璃模具的粗糙度。在复制尺寸小的镜面时，镜面可以由数层单一方向的碳纤维材料构成，每一层和它的相邻层的方向不同。树脂中的气体和水是以液体形式出现，在固化时会形成有害的气泡。尺寸大的镜面要采用弯月形的三明治结构以保证镜面形状的稳定性。这种三明治结构的上下面均具有相同曲率，中间的芯层则是大量长度相同的碳纤维合成圆筒。由于圆筒的长度一致，所以在镜面表面不会产生这些小圆筒的影子。在具体复制过程中，可以用分层加压固化的方法。为了获得高稳定性的反射面，高压力、高纤维比是十分重要的。为了获得高的表面精度，增加富树脂层十分必要。在放置碳纤维时，要用小面积的纤维片来拼合尺寸大的曲面，要保持各纤维层的平整。当复制面达到所需厚度，胶结中间小圆柱和后底板。这时应注意在后底板相应于圆柱的位置上钻孔，以避免小圆柱中空气压力变化而产生影像。为了顺利脱模，可以使用硅油或者硬脂酸锌等脱模剂，或者在镜面和模具之间引进压力空气。在脱模时可以使用真空吸盘，通过底面的排气孔可以使真空吸附力直接作用在镜面前表面的背后，以避免镜面受到不均匀的拉应力而产生表面变形。碳纤维复合材料镜面的复制技术在很大程度上要依靠模具的精度和技术熟练程度，不存在不可逾越的难度。复制镜面可以达到和模具几乎相当的表面精度。复合材料镜面的技术也可以用于主动光学中的变形镜面的制造。碳纤维合成材料对镀铝层的附着力比较差。为了增加铝在碳纤维合成镜面上的附着力，常常先在碳纤维材料上镀一层镍或铬，然后再镀上铝。对于长期在露天工作的镜面，在铝层上面还要再镀上薄薄的SiO2层来保护镜面镀层。在复制镜面时，也可以用纳米碳管来代替纤维材料。

另一种合成镜面的复制采用在模具表面电铸镍铬层的途径。电铸层常常仅有0.3毫米的厚度。电铸层和模具之间有较大的吸附力，为了防止在脱模时的表面变形，需要在镜面边缘电铸上一圈高度达1厘米的加强筋，最后用环氧树脂将金属电铸层和碳纤维材料的镜体胶结起来。这种方法也需要考虑脱模的问题。

在利用碳增强纤维材料作为镜面材料的努力方面也出现了一些复合结构的新思想。一种典型的复合结构由碳纤维鸡蛋格的主结构构成。从鸡蛋格结构上利用可调的支承杆支持着一个很薄的玻璃镜面。

碳化硅是一种新发现的镜面材料。它是一种地球上原来不存在的分子，其分子形式和金刚石十分类似，不过其中半数的碳原子为硅原子所代替。碳化硅可以用于制造光学和红外镜面。碳化硅颗粒本身是一种磨料。但是经过热压，化学蒸气沉淀或者是化学反应合成可以形成碳化硅的镜坯。有一种制造镜坯的方法是通过对碳化硅粉末加上静压力而首先获得一个软镜坯，这种软镜坯被称为“绿体”。它可以被加工，改变形状。当镜坯达到所需要的形状以后，再通过2000度的热压，形成可以进行抛光的镜体。在化学蒸气沉淀中，气体的化合物和热的石墨表面发生作用形成固态晶体材料。这个过程一般比较慢，但是会产生百分之百的纯净碳化硅化合物。用这种方法可以制成形状特殊的镜面。不过碳化硅镜面硬度很高，研磨和抛光的时间比微晶玻璃要长三倍，比熔融石英要长两倍。对于碳化硅镜面的磨制，只有金刚石粉才能发挥作用。使用化学反应合成碳化硅，首先要进行化学筛选（leaching）以获得高等级碳化硅。化学筛选方法是利用液体来提取固体成分。这样碳化硅粉末连同半液体的硅胶通过模压成为所需要的形状。最后将碳化硅胶体加热到950度，使其他材料挥发。制造大镜体一般可以使用几块碳化硅胶体，组装后加工成形。最后将组合镜体放置在甲烷气体中加热至1550度。这时碳原子会沉浸在熔融的硅材料之中，将所有的空隙全部填平。使用这种方法可以生产出83％纯度的碳化硅镜体。而这种镜体可以磨制到1纳米的表面光洁度。

在望远镜镜面研究中，最值得一提的是旋转水银镜面的试验。这种镜面本身就是一个充满水银的，匀速转动的大水银盘。这种水银镜面成本低，装置简单，有较大的反射率（～80％），可能获得大的集光面积。水银镜面的转动速度ω与焦距F有直接联系，即F=g/（2ω2），g是当地的重力加速度值。但是这种镜面也有很大的局限性：第一，它的安装地点必须远离城市和任何振动源；第二，镜面的旋转必须十分均匀；第三，镜面只能用于指向天顶的位置；第四，由于水银黏度低，其口径大小有一个极限。另外水银的蒸发，空气中的硫磷化物和微风都会对镜面反射率和镜面宁静度产生影响，不过这个方面可以用加盖一层薄膜的方法来解决。现在加拿大已经提出了一个包括66面口径6.15米的水银镜面阵列（Large Aperture Mirror Array）的计划。

表2.3列出了一些常用镜面材料的特性比较，镜面材料特性的具体讨论将在下一节中进行。另外在镜面的支承中，还大量使用铟钢等材料作为镜面的连接件。铟钢的膨胀系数很低，但仍需要适当的热处理。正确的铟钢热处理工艺为：在惰性气体中升温至850度，每1英寸厚度要维持温度30分钟，然后用水进行正火。最后，再在惰性气体中升温至315度，并在空气中冷却完成回火。

超低膨胀材料的膨胀系数是0.2 ppm。