[发明专利]低温环境下天文望远镜镜面的除霜雪装置及其工作方法

说明书

技术领域

本发明涉及玻璃镜面的除霜雪，尤其是在低温环境下的镜面除霜雪，该装置可实现镜面霜雪的有效去除，保持镜面清洁。属于光学装置防护领域。本发明还涉及这种装置的工作方法。

背景技术

随着天文学的不断发展进步，天文学的基本问题如宇宙起源、暗能量和暗物质的研究需要探测到更深更暗的星体，这需要光学望远镜具有越来越高的集光能力和分辨率。因此，光学望远镜的口径越来越大。除了增加望远镜的口径，另一个影响望远镜分辨能力的因素是观测场地的大气视宁度，国际上优秀的天文台址不是很多，主要集中在智利、夏威夷和南极。因此，为了充分利用南极地区优秀的台址环境，世界各国在南极建造了一批望远镜。但是在南极建造并安装光学望远镜的一个重要挑战就是镜面结霜和镜面积雪问题，在镜面上结霜和积雪会严重降低望远镜的通光量，导致观测星等降低，最终影响到望远镜的成像质量，严重情况下会完全遮挡住光线使望远镜无法正常工作。

镜面结霜和积雪的机理如下：当空气中水蒸汽达到饱和而且物体表面温度低于露点温度时，空气中的水蒸气就会凝结在物体表面。当物体表面的温度低于0ºC时，物体表面就会结霜。南极现场的最高环境温度为-20ºC左右，此外，现场环境温度存在波动导致温度出现梯度。因此，当环境温度波动时，空气中的水蒸气极易凝结在镜面上形成结霜层。此外，南极现场的降雪和地吹雪分别从空中和地面上把雪覆盖在镜面上形成镜面积雪。

如何有效去除镜面的结霜和积雪是南极望远镜面临的重要考验。目前南极望远镜综合采用了电加热和吹风的两种除霜方式，即在镜面上镀ITO(铟锡氧化物)膜，在镜面两端镀电极，通过施加直流电的方式对镜面进行加热。此外，在镜筒内和镜筒外的塔架上安装吹风机，采用吹风的方式除霜。在其他低温场合，镜面除霜雪措施也主要集中在加热和吹风两种方式，如对汽车后视镜和后挡风玻璃的加热去除在镜面上的雨和霜，对于汽车前挡风玻璃主要是通过吹风的方式的来去除霜雾。除了加热和吹风除霜雪方式之外，还有超声波、微波、静电等多种除霜雪方式。表1列出了目前应用比较广泛的除霜方式的优缺点，从表1可以看出，对于镜面除霜来说，超声波和微波都因为其本身固有的特性而无法应用到镜面除霜中。

此外，南极望远镜除霜雪还有一个难点，就是望远镜的镜面不是固定不动的，而是根据观测目标的不同指向不同的天区，所以吹风装置只能安装在镜筒内，或把吹风装置安装在塔架上。镜筒内吹风是通过加热镜面的方式间接除霜，效率较低而且会破坏视宁度，导致成像质量差。在塔架上安装吹风机可以快速去除浮雪，但是每次吹风都需要把镜筒转到塔架的位置才能完成吹风，不但影响观测效率，而且因为吹风角度的问题导致效果较差。此外，外吹风的方式对于霜层和镜面粘接牢固的情况效果有限。

表1、各种除霜方式的优缺点

除霜雪方式优点缺点电加热实施简单，可靠性高影响大气视宁度，温度不均匀，除浮雪速度慢吹风对浮雪清除效果显著对牢固霜层无法清除超声波速度快，不影响视宁度对镜面有额外振动，影响寿命微波速度快需要通过加热液体间接融霜，对镜面霜层无法清除