為了看得更清晰，我們在鏡面防霜上死磕

秋處露秋寒霜降，冬雪雪冬小大寒。大家在日常生活和工作中，特別是在寒冷的季節，或在室內外溫差較大的環境下，恰遇空氣溼度較大，就容易會遇到眼鏡起霧、汽車玻璃結霜等麻煩困擾……因為鏡面結霜造成視線模糊不清，仿佛是霧裡看花、水中望月，又怎能分辨這變幻莫測的世界？在天文科學觀測領域，也同樣存在類似的問題，如何才能讓天文觀測儀器的「慧眼」能夠看得清清楚楚明明白白真真切切？我們科研工作者是怎麼破解這個難題的呢？且聽下面細述。

為什麼會結霜？

霜是由冰晶組成，和露的出現過程是相同的，都是空氣中的相對溼度到達100%時，水分從空氣中析出的現象（圖1）。它們的差別只在於露點（水汽液化成露的溫度）高於冰點，而霜點（水汽凝華成霜的溫度）低於冰點，因此只要近地表的溫度低於0℃時，就會結霜。

鏡面結霜問題是以南極為代表的高寒地區天文光學儀器觀測面臨的難題之一。比如在南極冰穹A（圖2、3）地區，它是全球水汽最低的地區，但是其相對溼度卻常常達到飽和狀態，鏡面比環境溫度低時，將會結霜。鏡面上凝結的冰霜不僅降低了膜層的使用壽命還嚴重影響到望遠鏡的科學觀測。可以說，鏡面結霜是天文光學觀測儀器的死敵！因此，防霜、除霜問題變得非常重要。為了「消滅」鏡面結霜這個死敵，南京天光所鍍膜研究組針對性地展開了死磕式的試驗研究。

圖1 露與霜（圖片來自網絡）

圖2 安裝於南極冰穹A的CSTAR望遠鏡結霜與除霜

圖3 冰穹A中國南極崑崙站地理位置

什麼是ITO薄膜？

氧化銦錫（ITO）薄膜是一種新型電子薄膜，是一種銦氧化物和錫氧化物的混合物，通常質量比為90%In₂O₃,10%SnO₂或95%In₂O₃,5%SnO₂，其在可見光範圍透明，對紅外光反射較強，同時具有低的電阻率。由於ITO薄膜的這些特性，其在太陽能電池、液晶顯示器、觸控螢幕、高層建築幕牆玻璃、抗靜電膜、電磁防護、飛機和汽車窗導熱玻璃（防霧和防結冰）等產品上得到廣泛應用。

圖4 ITO薄膜的各種應用（圖片來自網絡）

如何克服結霜？ITO薄膜閃亮登場

霜的形成與所附著物體的屬性有關。當物體表面溫度很低，而物體表面附近的空氣溫度卻比較高，那麼在空氣和物體表面之間有一個溫度差，如果物體表面與空氣之間的溫度差主要是由物體表面輻射冷卻造成的，則在較暖的空氣和較冷的物體表面相接觸時空氣就會冷卻，達到水汽過飽和的時候多餘的水汽就會析出。如果溫度在0°C以下，則多餘的水汽就在物體表面上凝華為冰晶，這就是霜。如果採用一種技術加熱物體表面，使其溫度略高於空氣溫度，阻斷多餘水汽的析出，則可以防止霜的形成。

我國南極冰穹A地區的CSTAR與AST3望遠鏡（圖5）就是利用了該原理，在窗口改正板的外表面製備了可以加熱的ITO薄膜，成功進行了防霜和除霜。飛機駕駛艙前檔玻璃也是利用該原理進行防霜與除霜（圖6）。但該技術僅適用於透射密封的光路系統，大口徑開放式的反射光學系統無法使用。

圖5 位於南極冰穹A地區的AST3望遠鏡和窗口改正板外表面的ITO薄膜

圖6 集成了導電膜的飛機駕駛艙前檔玻璃（圖片來自網絡）

大型反射開放式望遠鏡如何防霜？向您報告

天文學家預測冰穹A是地球上進行天文觀測的最佳站址。未來會有更多大型天文望遠鏡「落戶」（圖7），而大型天文望遠鏡因為光學材料限制均為反射開放式結構，對於如何防霜，大家想了很多方法，比如採用熱風吹拂鏡面，另外一種就是由天光所提出的把ITO薄膜集成在反射膜系中，通過準確測量環境和鏡面溫度來控制導電膜的發熱功率，使鏡面溫度略高於環境溫度，從而達到防止鏡面結霜的目的。目前，該方法已取得實驗驗證成功，防霜反射膜系在具有防霜功能的同時保證了膜系在可見光與紅外波段的光譜反射性能。經實測，在400nm‑2000nm波段範圍，該防霜反射膜系光譜反射率平均值可優於98%。（圖8）

圖7 南極2.5米光學/紅外望遠鏡（KDUST）概念圖

圖8 具有防霜反射膜系的Ф520mm球面反射鏡

極低溫環境大口徑反射式望遠鏡防霜膜系及其製備方法於2017年獲得中國發明專利授權（專利號：ZL 201510340393.5），並於2019年獲得美國發明專利授權（專利號：US10359621B2）。

至此，科研工作者們基本解決了因為鏡面結霜而看不清「這變幻莫測的世界」的問題。當然，人類科學研究探索從來都是無止境，天文科學觀測研究的要求也是不斷提高，相關科學儀器與技術的發展和創新也必然是永遠在路上。

來源：中國科學院國家天文臺南京天文光學技術研究所