A segmented mirror is an array of smaller mirrors designed to act as segments of a single large curved mirror. The segments can be either spherical or asymmetric (if they are part of a larger parabolic reflector). They are used as objectives for large reflecting telescopes. To function, all the mirror segments have to be polished to a precise shape and actively aligned by a computer-controlled active optics system using actuators built into the mirror support cell.

The concept was pioneered by Guido Horn D'Arturo, who built the first working segmented mirror in 1952, after twenty years of research; It was later independently rediscovered and further developed under the leadership of Dr. Jerry Nelson at the Lawrence Berkeley National Laboratory and University of California during the 1980s, and since then all the necessaries technologies have spread worldwide to the point that essentially all future large optical telescopes plan to use segmented mirrors.

Application

There is a technological limit for primary mirrors made of a single rigid piece of glass. Such non-segmented, or monolithic mirrors can not be constructed larger than about eight meters in diameter. The largest monolithic mirrors in use are currently the two primary mirrors of the Large Binocular Telescope, each with a diameter of 8.4 meters. The use of segmented mirrors is therefore a key component for large-aperture telescopes.  Using a monolithic mirror much larger than 5 meters is prohibitively expensive due to the cost of both the mirror, and the massive structure needed to support it. A mirror beyond that size would also sag slightly under its own weight as the telescope was rotated to different positions, changing the precision shape of the surface. Segments are also easier to fabricate, transport, install, and maintain over very large monolithic mirrors.

Segmented mirrors do have the drawback that each segment may require some precise asymmetrical shape, and rely on a complicated computer-controlled mounting system. All of the segments also cause diffraction effects in the final image.

Another application for segmented mirrors can be found in the augmented reality sector to minimize the size of the optical components. A partial reflective segmented mirror array is used by tooz to out-couple the light from their light guides, which is used as an optical smartglass element.

Telescopes using segmented mirrors

Some of the largest optical telescopes in the world use segmented primary mirrors. These include, but are not limited to the following telescopes:
 Keck Telescopes
The twin telescopes are the most prominent of the Mauna Kea Observatories at an elevation of 4,145 meters (13,600 ft) near the summit of Mauna Kea in Hawaii, United States. Both telescopes feature  primary mirrors.
 Hobby-Eberly Telescope
 The HET is a 9.2-meter (30-foot) telescope located at the McDonald Observatory, West Texas at an altitude of 2,026 m (6,647 ft). Its primary mirror is constructed from 91 hexagonal segments. The telescope's main mirror is fixed at a 55 degree angle and can rotate around its base. A target is tracked by moving the instruments at the focus of the telescope; this allows access to about 70–81% of the sky at its location and a single target can be tracked for up to two hours.
 Southern African Large Telescope
The SALT is a 10-meter telescope dedicated on spectroscopy for most of its observing time. It shares similarities with the Hobby-Eberly Telescope and also consists of 91 hexagonal mirror segments, each 1 meter across, resulting in a total hexagonal mirror of 11.1 m by 9.8 m. It is located close to the town of Sutherland in the semi-desert region of the Karoo, South Africa. It is a facility of the South African Astronomical Observatory, the national optical observatory of South Africa.
 Gran Telescopio Canarias
Also known as the GranTeCan, the Canaries Great Telescope uses a total of 36 segmented mirrors. With a primary mirror of , it is currently the world's largest optical telescope, located at the Roque de los Muchachos Observatory on the island of La Palma, in the Canary Islands in Spain.
 LAMOST
The Large Sky Area Multi-Object Fibre Spectroscopic Telescope is a survey telescope located in the Hebei Province of China. It consists of two rectangular mirrors, made up of 24 and 37 segments, respectively. Each hexagonal segment is 1.1 metre in size.
 James Webb Space Telescope
The James Webb Space Telescope's 18 mirror segments were mostly fabricated in 2011. The space telescope was launched by an Ariane 5 from Guiana Space Centre on December 25, 2021.

Next-generation telescopes

Three extremely large telescopes will be the next generation of segmented-mirror telescopes and are planned to be commissioned in the 2020s. The Giant Magellan Telescope uses seven large segments and is either grouped with segmented mirrors telescopes or its own category. The Thirty Meter Telescope is to be built at the Mauna Kea Observatories in Hawaii, though construction is on hold. This will use 492 hexagonal segments. The European Extremely Large Telescope will be the largest of all three, using a total of 798 segments for its primary mirror. Its first light is expected for 2027.

Diffraction spikes

See also
List of largest optical reflecting telescopes
Cherenkov Telescope Array

References

External links
 

Optical telescope components
Mirrors
분할 거울()은 작은 거울을 여럿 배열하여 하나의 커다란 곡면 거울로 기능하게 한 거울이다. 세그먼트는 이나 비구면(을 구성할 경우)일 수 있다. 주로 대형 반사 망원경의 대물경으로 쓰인다. 분할 거울이 제대로 기능하려면 모든 거울 세그먼트가 정밀한 모양으로 연마된 후 컴퓨터가 에 들어가 있는 액추에이터로 제어하는 능동 광학 장치를 통해 능동적으로 정렬되어야 한다.

이러한 개념을 발명한 사람은 로, 20년간의 연구를 통해 1952년에 처음으로 기능하는 분할 거울을 만들었던 사람이었다. 이후 1980년대에 로런스 버클리 국립연구소와 캘리포니아대학교에서 의 개발팀이 독자적으로 재발견하고 더 발전시켰다. 그리고 향후에 건설될 사실상 모든 거대 광학 망원경이 분할 거울을 사용하게 될 정도로 분할 거울에 필요한 제반 기술이 전 세계로 퍼져나갔다.

응용 

단일 유리로 큰 주거울을 만드는 데는 기술적인 한계가 존재한다. 분할식이 아닌 일체형 거울()은 지름 8미터 이상으로 제작하는 것이 불가능하다. 현재 운용 중인 가장 큰 일체형 거울은 에 들어있는 주거울로, 지름이 각각 8.4미터이다. 따라서 분할 거울을 사용하는 일은 구경이 큰 망원경의 핵심 사항이라 할 수 있다. 직경이 5미터보다 큰 일체형 거울은 거울과 거울을 지지하는 육중한 구조물을 제작하는 데 비용이 너무 많이 들어간다. 또한, 이 크기를 넘어서는 거울은 망원경이 회전하여 다른 곳을 지향할 때마다 자체 중량에 의해 약간 쳐지면서 정밀하게 가공된 반사면의 모양에 변화를 줄 수 있다. 거울 세그먼트는 가공도 쉽고 운송과 설치와 유지보수도 거대한 일체형 거울보다 쉽다.

분할 거울은 각 세그먼트가 상당히 정밀하게 비대칭형으로 만들어질 필요가 있고, 컴퓨터로 제어되는 복잡한 가대 장치에 의존한다는 단점이 있다. 또한, 모든 세그먼트가 최종 정렬 후의 이미지에 회절 현상을 남긴다는 점도 있다.

분할 거울의 또 다른 응용 사례로는 증강현실에서 광학 요소의 크기를 최소화하려는 일을 들 수 있다. tooz 社는 광학 스마트 글래스 요소에 들어가는 라이트 가이드에서 빛을 분리하기 위해 부분적으로 반사하는 분할 거울 배열을 사용하고 있다.

분할 거울을 사용하는 망원경 

다음처럼 세계에서 가장 큰 광학 망원경 일부가 분할 거울을 주거울로 사용하고 있다. 이 목록의 망원경만이 분할 거울을 사용하는 것은 아니라는 점을 주의하라.

 켁 망원경
 쌍둥이 망원경으로, 미국 하와이 마우나케아산 정상 부근 해발 4,145미터에 있는 마우나케아 천문대에서 가장 크다. 두 망원경의 주거울 지름은 10 m에 달한다.

 
 해발 2,026 m 웨스트 텍사스 맥도널드 천문대에 있는 9.2미터 망원경이다. 주거울은 91개의 육각 세그먼트로 이루어져 있다. 망원경의 주거울은 지면에 대해 55도 각도로 고정되어 있으며, 밑면을 회전하는 식이다. 표적은 망언경 초점에 있는 관측 장비를 움직여서 추적한다. 이를 통해 이 위치에서 하늘의 약 70~81%를 관측할 수 있으며, 하나의 표적을 두 시간까지만 추적할 수 있다.

 남아프리카 거대 망원경
 관측 시간의 대부분을 분광에 쓰는 10미터 망원경이다. 하비-에벌리 망원경과 유사하게 폭이 1미터인 육각 거울 세그먼트 91개가 조립되어 의 육각형 거울을 만든다. 남아프리카 공화국 카루 서덜랜드 타운 근처에 있다. 남아프리카 공화국 국립 광학 천문대인 남아프리카 천문대의 시설이다.

 
 그란테칸()이라고도 한다. 총 36개의 거울 세그먼트를 사용한다. 주거울이 10.4 m로 현재 세계에서 가장 큰 광학 망원경이다. 스페인 카나리아 제도 라팔마섬 로케 데 로스 무차초스 천문대에 위치하고 있다.

 
 대천구면적 다표적 광섬유 천문 망원경()은 중국 허베이성에 위치한 탐사용 망원경이다. 각각 24개와 37개의 세그먼트로 이루어진 직사각형 거울 두 개를 사용한다. 육각 세그먼트의 크기는 1.1미터이다.

 제임스 웹 우주 망원경
 제임스 웹 우주 망원경은 열여덟 개의 거울 세그먼트를 사용하며, 대부분 2011년에 제작되었다. 2021년 12월 25일 기아나 우주 센터에서 아리안 5 로켓에 실려서 발사되었다.

차세대 망원경 

2020년대부터 운용될 세 가지 차세대 거대 망원경이 분할 거울을 사용한다. 거대 마젤란 망원경은 일곱 개의 커다란 거울 세그먼트를 사용하여 분할 거울 망원경이나 별도의 그룹으로 분류된다. 30미터 망원경은 하와이 마우나케아 천문대에 지어질 예정이며, 육각 세그먼트 492개를 사용할 것이다. 셋 중에서 가장 큰 유럽 초대형 망원경은 총 798개의 세그먼트를 사용해서 주거울을 만든다. 퍼스트 라이트는 2027년으로 예상된다.

회절 스파이크 

분할 거울을 사용하는 망원경의 이미지는 거울 모서리의 회절로 인해 회절 스파이크가 나타난다. 이미지 면에서 거울 모서리 방향의 수직으로 두 개의 스파이크가 나타나기 때문에 제임스 웹 우주 망원경처럼 주거울이 육각형인 경우는 여섯 개의 스파이크가 나타난다(추가로 부거울을 지지하는 스파이더 때문에 작고 어두운 스파이크도 나타남).

같이 보기

각주

외부 링크 
 

거울