苏定强：Lemaitre 教授和他的《天文光学和弹性理论：主动光学方法》

Gérard R. Lemaitre 教授是国际著名的光学家，现代主动光学的开拓者之一。

Gérard R. Lemaitre，出生于法国，是一位杰出的天文学家，1967年在法国国立高等工程技术学校获得工程学学位，主要从事天文光学研究。1974年，他在普罗旺斯大学获得物理学博士学位，论文题目是《天文光学与弹性力学》。

他的研究主要集中在光学设计和弹性力学理论上，通过使用最少的光学表面来提高望远镜和光谱仪的性能。主要包括天文仪器中一些难以精确测量的非球面。伯恩哈德·施密特（Bernhard Schmidt）认为可以通过使镜面发生弹性形变而产生非球面面形。Lemaitre 阐述了主动光学以及这种方法的一系列相关理论条件。他将主动光学这种方法拓展到各种已知的非球面情况，也发展到用于新仪器设计的各种其他情况。他在几个国家拥有八项专利。

Lemaitre 是许多光学设计委员会的国际成员，如中国科学院的巨型施密特望远镜郭守敬望远镜（LAMOST）项目，欧洲南方天文台的42m 望远镜项目（E-ELT）等。他被法国科学院授予安德烈·拉勒曼德大奖。

Lemaitre 的著作《》是一本从理论上和实践上深入介绍主动光学、光学系统、光学镜面与弹性力学相结合的问题的专著。对这个领域已知的和最新的内容提供了非常深入和全面的描述。在对光学和弹性进行了广泛介绍后，这本书论述了曲率变化的镜子、单模变形镜、多模变形镜、折射的变形板和透镜，掠入射管状镜的曲面形状和研制，同时也深入地对主动光学的理论和应用进行了论述。进一步，阐述了利用施密特概念、各种类型的施密特改正镜、望远镜的主镜和副镜的光学设计，以及通过主动光学方法获得非球面的弹性薄板和中空壳的理论。作者发展的几个新的主动光学方法可获得改正像差的旋转或非旋转对称的光学表面，如变厚度镜子、平非球面和凹圆环面的衍射光栅。此外，阐述了一个弱锥壳的弹性理论，用于掠入射管式望远镜的反射镜的非球面化。

Lemaitre 个人研究的新颖性和独创性，以及其他科学家最重要的工作和成果，都在这本书中作了介绍，将非常有益于未来发展现代望远镜和相关的天文仪器。下面我以三个Lemaitre 教授创新的、突出的实例来作为对他和他的书的进一步介绍：

1. 他成功地发展了用主动光学复制技术由平面或球面光栅制造反射非球面衍射光栅的技术，如用它作为反射Schmidt 系统的光栅-改正镜，那么得到的光谱仪照相机只有两个反射面，这样的设计已用于一些天文台的光谱仪中。Lemaitre对反射Schmidt系统作了深入的研究，他得到如果在入射光瞳平面上中性带（零光焦度带）的投影半径等于入射光瞳半径的 1.5 ≈1.22倍，这时视场像差为最小-Lemaitre 条件。

▲ LAMOST 光谱仪的光学设计，R = 2000。它使用了刻线长度200mm 的非球面反射光栅，以及在此方向上f/1.5 的焦比。分色镜提供了两个光谱范围370～590nm 和570～900nm。CCD 探测器为2048×2048 像素，像素大小为24μm×24μm。准直镜和相机轴之间的夹角为δ0 = 35°。法线衍射角β ≈ 0，可以采用轴对称非球面光栅的设计（Zhu 和Lemaitre）

2. Lemaitre 发明并研制成了达到衍射限的变化曲率的镜面，已经用在欧洲南方天文台（ESO）的甚大望远镜干涉阵（VLTI）中。

▲ 位于Cerro Paranal 的VLT 干涉仪（来自ESO）

由欧洲南方天文台（简称ESO）建造的VLT 望远镜及其配套的干涉仪（VLTI）通过使用四个口径8m 的望远镜和几个辅助望远镜，实现了包括深视场、高分辨成像以及干涉测量的综合方法观测。

3. 三非球面镜Rumsey 系统有优秀的像质、平的视场并且紧凑的结构，这种系统中第三镜处在主镜的中心，Lemaitre 用一块可变形的特殊的（双花瓶形）镜坯，先将它抛光成球面，然后在望远镜上对这块镜子加力就可得到连在一起的第一镜和第三镜。对一个郁金香形的镜坯在加力下抛光成球面就可得到第二镜。对这样的Rumsey 系统只要抛光两个球面，第三镜也不需要安装和调整，我们把这样的 Rumsey 系统命名为 Rumsey-Lemaitre 系统。Lemaitre 研制了两个口径50 cm 的这样的光学系统，像质达到衍射极限，显然这样的系统可以做得更大，它能很好地用于空间巡天。

▲ 五种大视场望远镜设计的比较

五种方案的设计光束直径，焦距以及视场相同，（A）带折射校正板的Schmidt 望远镜；（B）Willstrop的Mersenne-Schmidt望远镜；（C）抛物面和Wynne三重透镜校正器；（D）平场RC 系统和双重校正器；（E）三反Rumsey望远镜。上述五个系统中，Rumsey设计是一个紧凑的系统-大约比施密特短 4 倍-为2°视场提供最佳的光学性能和从UV到IR的大光谱范围能力。Rumsey的中心遮拦类似于平场Ritchey-Chretien（D）的中心遮拦。利用略微修改的Rumsey形式，通过对三块镜面中的两块进行的主动光学非球面，就能达到很高的成像精度并简化系统。

Lemaitre教授对中国自主研制的LAMOST 给予高度好评，并将LAMOST照片放在他的Springer原著的封面，这次中译本也将同样的照片放在封面。中国在主动光学方面也做出了创造性的突出成就。在观测的每一瞬间LAMOST都是一架反射Schmidt望远镜，但不同的瞬间却是不同的反射Schmidt望远镜，它的入射角和改正镜面形是不同的，这样的望远镜是前所未有的。LAMOST的改正镜是拼接镜，每块子镜又是实时变化形状的，这样的镜面过去也从未有过。此外，中国研制的500m直径球面射电望远镜FAST观测时每一个瞬间都将当时的300m直径的照明区改变为抛物面。LAMOST和FAST是中国天文的两个国家大科学工程，用的都是这样创新的主动光学（参看Su et al.，SPIE Vol.628，1986，498），LAMOST 和FAST 都已建成，并取得了许多重要的天文成果。

我相信Lemaitre 教授的这本书对在大学、天文台、研究所从事天文、光学、光学工程、特别是望远镜研究的教授、专家、工程师和研究生将会非常有价值和帮助。

感谢中国科学院南京天文光学技术研究所、崔向群院士、朱永田所长对出版本书中文版的热情支持。

本书由姚正秋研究员、左恒副研究员翻译，袁祥岩研究员、王国民研究员为本书做了校核，林素老师也为本书的出版校对做了大量工作，对他们表示十分感谢。

苏定强

2020 年12 月30 日

天文光学和弹性理论：主动光学方法 / （法）热拉尔·R. 勒迈特著；姚正秋，左恒译. 北京：科学出版社，2023.3

ISBN 978-7-03-074722-8

责任编辑：钱 俊 陈艳峰

本书是一本论述现代光学和主动光学理论的基础性读物。作者在本书中详尽地叙述了有关天文光学（特别是近代主动光学）的基础理论，并就主动光学技术在天文望远镜实际镜面加工和实际观测中的应用进行了详尽的描述。本书内容覆盖了天文光学系统和弹性力学相结合的问题，同时也对主动光学的理论和应用进行了论述，对这个领域已知的和最新的内容进行了非常深入和全面的描述，对国内外采用主动光学方法的大型天文望远镜系统进行了系统性梳理和介绍。本书对在大学、天文台和研究所从事天文光学、光学工程，特别是对天文望远镜研制的研究者和工程师们有重要参考价值和帮助作用，本书也可以作为相关专业博士研究生的阅读材料。

（本文编辑： 刘四旦）

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