为了看得更清晰，我们在镜面防霜上死磕

秋处露秋寒霜降，冬雪雪冬小大寒。大家在日常生活和工作中，特别是在寒冷的季节，或在室内外温差较大的环境下，恰遇空气湿度较大，就容易会遇到眼镜起雾、汽车玻璃结霜等麻烦困扰……因为镜面结霜造成视线模糊不清，仿佛是雾里看花、水中望月，又怎能分辨这变幻莫测的世界？在天文科学观测领域，也同样存在类似的问题，如何才能让天文观测仪器的“慧眼”能够看得清清楚楚明明白白真真切切？我们科研工作者是怎么破解这个难题的呢？且听下面细述。

为什么会结霜？

霜是由冰晶组成，和露的出现过程是相同的，都是空气中的相对湿度到达100%时，水分从空气中析出的现象（图1）。它们的差别只在于露点（水汽液化成露的温度）高于冰点，而霜点（水汽凝华成霜的温度）低于冰点，因此只要近地表的温度低于0℃时，就会结霜。

镜面结霜问题是以南极为代表的高寒地区天文光学仪器观测面临的难题之一。比如在南极冰穹A（图2、3）地区，它是全球水汽最低的地区，但是其相对湿度却常常达到饱和状态，镜面比环境温度低时，将会结霜。镜面上凝结的冰霜不仅降低了膜层的使用寿命还严重影响到望远镜的科学观测。可以说，镜面结霜是天文光学观测仪器的死敌！因此，防霜、除霜问题变得非常重要。为了“消灭”镜面结霜这个死敌，南京天光所镀膜研究组针对性地展开了死磕式的试验研究。

图1  露与霜（图片来自网络）

图2  安装于南极冰穹A的CSTAR望远镜结霜与除霜

图3  冰穹A中国南极昆仑站地理位置

什么是ITO薄膜？

氧化铟锡（ITO）薄膜是一种新型电子薄膜，是一种铟氧化物和锡氧化物的混合物，通常质量比为90%In2O3,10%SnO2或95%In2O3,5%SnO2，其在可见光范围透明，对红外光反射较强，同时具有低的电阻率。由于ITO薄膜的这些特性，其在太阳能电池、液晶显示器、触摸屏、高层建筑幕墙玻璃、抗静电膜、电磁防护、飞机和汽车窗导热玻璃（防雾和防结冰）等产品上得到广泛应用。

图4 ITO薄膜的各种应用（图片来自网络）

如何克服结霜？ITO薄膜闪亮登场

霜的形成与所附着物体的属性有关。当物体表面温度很低，而物体表面附近的空气温度却比较高，那么在空气和物体表面之间有一个温度差，如果物体表面与空气之间的温度差主要是由物体表面辐射冷却造成的，则在较暖的空气和较冷的物体表面相接触时空气就会冷却，达到水汽过饱和的时候多余的水汽就会析出。如果温度在0°C以下，则多余的水汽就在物体表面上凝华为冰晶，这就是霜。如果采用一种技术加热物体表面，使其温度略高于空气温度，阻断多余水汽的析出，则可以防止霜的形成。

我国南极冰穹A地区的CSTAR与AST3望远镜（图5）就是利用了该原理，在窗口改正板的外表面制备了可以加热的ITO薄膜，成功进行了防霜和除霜。飞机驾驶舱前档玻璃也是利用该原理进行防霜与除霜（图6）。但该技术仅适用于透射密封的光路系统，大口径开放式的反射光学系统无法使用。

图5 位于南极冰穹A地区的AST3望远镜和窗口改正板外表面的ITO薄膜

图6 集成了导电膜的飞机驾驶舱前档玻璃（图片来自网络）

大型反射开放式望远镜如何防霜？向您报告

天文学家预测冰穹A是地球上进行天文观测的最佳站址。未来会有更多大型天文望远镜“落户”（图7），而大型天文望远镜因为光学材料限制均为反射开放式结构，对于如何防霜，大家想了很多方法，比如采用热风吹拂镜面，另外一种就是由天光所提出的把ITO薄膜集成在反射膜系中，通过准确测量环境和镜面温度来控制导电膜的发热功率，使镜面温度略高于环境温度，从而达到防止镜面结霜的目的。目前，该方法已取得实验验证成功，防霜反射膜系在具有防霜功能的同时保证了膜系在可见光与红外波段的光谱反射性能。经实测，在400nm‑2000nm波段范围，该防霜反射膜系光谱反射率平均值可优于98%。（图8） 

图7  南极2.5米光学/红外望远镜（KDUST）概念图

图8  具有防霜反射膜系的Ф520mm球面反射镜

极低温环境大口径反射式望远镜防霜膜系及其制备方法于2017年获得中国发明专利授权（专利号：ZL 201510340393.5），并于2019年获得美国发明专利授权（专利号：US10359621B2）。

至此，科研工作者们基本解决了因为镜面结霜而看不清“这变幻莫测的世界”的问题。当然，人类科学研究探索从来都是无止境，天文科学观测研究的要求也是不断提高，相关科学仪器与技术的发展和创新也必然是永远在路上。

来源：中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所