大口径光学望远镜拼接镜面关键技术综述

随着天文探测的不断发展,望远镜的口径越来越大,拼接镜面技术为大口径望远镜主镜的设计提供了一种比单镜面形式更简单可行的替代方案,现已成为大口径望远镜主镜设计的重要途径。本文以詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST)和三十米望远镜(TMT)等典型拼接式望远镜的主镜设计为参考,总结了当前拼接镜面技术的发展现状;并阐述了在大规模子镜背景下,不同子镜拼接方案的性能差异,以及镜面支撑技术和共相检测技术的未来发展趋势,希望可以为我国下一代极大口径光学望远镜的自主研制提供参考。     

地基大口径望远镜系统结构技术综述

概述了地基大口径望远镜的发展状况,阐述了口径变大的意义及实现的关键技术途径。概括了当前大口径望远镜的应用价值。介绍了国外5种典型的大口径望远镜系统,它们代表了当前地基大口径望远镜发展的最高技术水平。从跟踪架、主望远镜筒、主镜支撑及次镜支撑调整几个方面论述了大口径望远镜的结构特点及关键技术。最后,总结了大口径望远镜系统的发展趋势,指出其光学系统已从同轴系统向离轴系统发展并极具应用前景。     

光电望远镜暗弱目标识别算法及探测能力

通过空间目标的光度测量可判断目标在轨运动特性和进行编目识别。对光电望远镜在卫星姿态判定领域的应用进行了介绍,验证了一种暗弱目标识别算法,即霍夫变换。通过仿真计算分析了影响极限探测星等的因素,并从目标成像后在探测器上获得信噪比的一般计算公式出发,推导计算得出光电望远镜的极限探测星等理论值,并使用星图比对的方法进行了试验验证。结果表明,星图比对法是一种可靠的星等测量方法。     

大口径望远镜的高分辨成像技术

大口径望远镜的高分辨率成像观测技术是一项对天文学研究和空间目标探测都非常重要的技术,其中最核心的就是自适应光学。文章简要回顾了天文望远镜以及自适应光学技术的发展历程,围绕未来大口径望远镜发展需求,详细介绍了具有高空间分辨率特色的液晶自适应光学技术的发展历史及其现状。     

大口径望远镜波像差的外场检验方法

为在外场环境下对大口径望远镜进行系统波像差的检验,研制了一套具有高探测能力的Shack-Hartmann波前传感器.利用恒星作为光源,对口径1 m、焦距11 m的大口径望远镜进行了波像差检验实验,测量结果为系统波像差在0.39λ~ 0.46λ RMS之间,且随着俯仰角的增加而增大,主要像差形式为3阶0°像散,与星点检验的结果一致.     

光电望远镜暗弱目标识别算法及探测能力

通过空间目标的光度测量可判断目标在轨运动特性和进行编目识别。对光电望远镜在卫星姿态判定领域的应用进行了介绍,验证了一种暗弱目标识别算法,即霍夫变换。通过仿真计算分析了影响极限探测星等的因素,并从目标成像后在探测器上获得信噪比的一般计算公式出发,推导计算得出光电望远镜的极限探测星等理论值,并使用星图比对的方法进行了试验验证。结果表明,星图比对法是一种可靠的星等测量方法。     

拟议中的21世纪光学望远镜

 不论天文爱好者还是职业天文学家都渴望有一台大的反射镜或透镜,因为它能聚集更多的光,具有显示天体细节的潜能。特别是专业工作者,大仪器是研究宇宙中的暗星系和现代天文学中许多重要问题不可或缺的。可以说望远镜越大越好。现在,大地基望远镜主要是口径8～10米的反射镜,它们代表了自伽利略将望远镜用于夜空研究400年以来光学望远镜发展的巅峰。其中有建在智利的欧洲空间局的甚大望远镜(由4台8米望远镜构成),位于夏威夷的两台10米凯克望远镜和8.3米昴星望远镜,双子望远镜(两台望远镜分别装在南半球和北半球),以及德克萨斯州麦克唐纳天文台的9米大型拼镶镜面望远镜。     

地平式望远镜消旋K镜的设计

地平式望远镜在进行天体目标跟踪观测时会产生像旋,即视场中的星体会围绕视轴中心旋转,给实时目标识别和基于多帧积累的图像处理算法带来了诸多不便.本文针对地平式望远镜的Coude光路,设计了一种通光口径较大,由三面平面反射镜组成的K镜消旋机构来消除像旋.消旋K镜由三面反射镜组成,通光口径为42mm,第一面反射镜与第三面反射镜的夹角选择为120°,使K镜通光口径较大,能在全光谱波段范围内使用.入射光线绕光轴转动一定的角度,K镜相应的转动入射光线转角的一半,则出射光线不产生旋转.第一面反射镜和第三面反射镜由两面平面镜固定在金属三角架上组成,替代由三棱体磨制的反射镜面,利用自准直平行光管和高准确度转台装配各反射镜,使K镜光轴和回转轴同轴,并采用直流力矩电机直接驱动,使系统具有较快的响应速度.测角元件采用Renishaw圆光栅,细分后的角分辨率为0.072″.     

地平式望远镜消旋K镜的设计

地平式望远镜在进行天体目标跟踪观测时会产生像旋,即视场中的星体会围绕视轴中心旋转,给实时目标识别和基于多帧积累的图像处理算法带来了诸多不便.本文针对地平式望远镜的Coude光路,设计了一种通光口径较大,由三面平面反射镜组成的K镜消旋机构来消除像旋.消旋K镜由三面反射镜组成,通光口径为42 mm,第一面反射镜与第三面反射镜的夹角选择为120°,使K镜通光口径较大,能在全光谱波段范围内使用.入射光线绕光轴转动一定的角度,K镜相应的转动入射光线转角的一半,则出射光线不产生旋转.第一面反射镜和第三面反射镜由两面平面镜固定在金属三角架上组成,替代由三棱体磨制的反射镜面,利用自准直平行光管和高准确度转台装配各反射镜,使K镜光轴和回转轴同轴,并采用直流力矩电机直接驱动,使系统具有较快的响应速度.测角元件采用Renishaw圆光栅,细分后的角分辨率为0.072″.     

大口径望远镜结构热分析

为了评估温度对望远镜的影响,针对某地基光电望远镜,建立了包括光学组件,跟踪架结构以及电控设备等在内的有限元热模型.在传导、对流、辐射以及热流等不同热环境下进行热分析,计算了望远镜光机结构的时间和空间温度分布.根据温度分布进行了热-弹性分析,得出了望远镜结构的热变形.分析表明:温度变化对望远镜跟踪架以及主光学系统的影响很大,对主次镜造成的相对位移达到毫米级,必须进行严格控制.最后从防护圆顶、跟踪架以及主镜等方面入手给出了热控设计方案.     

基于功率谱的大口径望远镜面型评价

为了更好地评价与研究受视宁影响的观测系统,引入了基于功率谱的分析方法.使用不同截止频率以及衰减系数的卡曼谱来反演系统的中高频误差,同时使用Zernike多项式来表征系统低阶起伏,结合这两种误差,得到了系统误差的数值模型.最后,通过分析实际波前叠加数值模拟大气扰动前后的功率谱,验证了本方法评价受视宁影响的大口径系统的可行性.     

大口径折反式中波红外衍射望远镜系统设计

为实现空间红外望远镜的高分辨率探测,基于Schupmann消色差理论,开展了大口径折反式中波红外衍射望远镜系统的设计及消热差模型研究.设计了口径1 m、F数为2、全视场0.12°、波段3.8μm～4.2μm的折反式中波红外衍射望远镜系统,其主镜及校正镜均为平面衍射透镜,中继系统采用卡塞格林折反式结构,再聚焦及三次成像系...     

大口径透镜凸面零检验的补偿器设计

根据三像差理论，推导单透镜补偿器在检验光路中几各形式下的初始结构参数计算公式，并给出设计实例。     

大望远镜系统衍射极限倍数的确定

利用大气湍流的光学相关函数确定湍流光学相关时间，并在此时间内通过成像系统的光学传递函数修正大气湍流效应后定标大望远镜(500mm口径，500m焦距)系统衍射极限倍数。     

RGB三通道衍射望远镜光学成像系统设计

基于目前研究较热的大口径衍射望远镜技术，提出一种在可见光范围内进行成像的衍射望远镜光学系统方案。该方案解决了目前衍射望远镜存在的成像频谱范围较窄的问题，可以在可见光范围内获取彩色图像，设计方法是将衍射元件沿径向分为3个通道，分别对R、G、B三个颜色通道进行成像，每个通道的成像带宽为40 nm，通过控制系统参数使3个通道的像在像面处重合，获取彩色图像。设计了基于25 m口径衍射主镜的三通道望远镜光学系统，并对该系统进行建模仿真，仿真结果与设计理论相符。该方案可以增加成像的频谱范围，其像面光斑具有与单通道系统像面光斑近乎相同的主瓣宽度。     

温度变化对1.23 m望远镜光机系统的影响

为了实现1.23 m望远镜在环境温度从-35℃~+55 ℃变化范围内,光机系统的成像质量的指标要求,本文从原理上分析了温度变化对光机系统中光学元件面形准确度及相对位置关系的影响,推导出了主次镜间光学间隔变化与像面离焦量的比例关系.通过对1.23 m望远镜光学结构的像质分析,结合光机结构设计,搭建了适合环境温度变化的光机系统,从方案设计上满足了望远镜系统的成像要求.通过实际的成像实验,验证了温度变化导致的主次镜光学间隔变化对望远镜系统成像带来的离焦的影响,并给出了具体的温度补偿措施,即采取次镜调焦的方式,可满足具体观测实验的要求.同时,为今后1.23 m望远镜以及类似的大口径望远镜系统的实验和技术改造提出了切实可行的意见.     

用于空间目标偏振探测的望远镜系统偏振分析

基于地基大口径自适应望远镜构建成像偏振探测系统,可以同时获取空间目标的光强和偏振图像,将光强信息和偏振信息相结合,能为空间目标的探测和识别提供更多依据。现有的1.23m自适应望远镜在设计时并未采用保偏设计,在开展观测研究前需得到光学系统的偏振传输特性。但目前难以直接对大口径望远镜进行偏振标定,为了分析1.23m自适应望远镜光学系统的偏振传输特性,基于相干矩阵和光线追迹法建立了望远镜系统偏振传输特性分析模型。仿真得出了1.23m自适应望远镜光学系统的偏振传输特性,发现光学系统会引入较大的偏振探测偏差。为减小偏振探测偏差,给出了一个可行的保偏改进方案,并通过已建立的模型验证了该方案的有效性。     

3.5 m口径空间望远镜单块式主镜技术展望

主反射镜的口径大小与结构形式在极大程度上决定了空间望远镜的技术难度与经济成本。为了实现更高的空间分辨率与更强的信息收集能力,各国研制的空间望远镜主反射镜的口径朝着越来越大的趋势发展,从“哈勃空间望远镜”（HST）的2.4 m,到“新世界观测者空间望远镜”（NWO）的4 m,甚至到“先进技术大口径空间望远镜”（ATLAST）的8 m,无不体现了对超大口径空间观测能力的追求。而单块式主镜凭借其支撑技术的可靠性与经济性,正成为超大口径空间望远镜的首选。通过对国外研制的超大口径空间望远镜的论述与分析,探讨了目前空间望远镜中超大口径主反射镜的关键技术与发展方向。针对目前国内运载能力与光学制造加工能力的极限,提出了建造基于3.5 m口径主镜的空间望远镜设想。     

大型望远镜消旋K镜准直技术研究

针对2m地平式望远镜像方视场旋转问题设计了消旋K镜装置。根据K镜系统的几何光学传递特性,推导K镜消旋数学矩阵模型;利用光线追迹方法,拟合了望远镜入瞳坐标与Coude焦点坐标的转换关系,分析入射光经过Coude光路后的视场旋转与望远镜方位轴、俯仰轴旋转的换算规律,从而计算得出望远镜消旋K镜的初始零位及旋转规则;针对K镜的准直性问题,通过对其旋转过程K轴与主光路偏离误差周期性变化特性的分析,设计了基于帕斯卡窝线理论的K镜准直装调策略,将复杂的准直装调问题转化为数学方程参数修正问题,并建立K镜准直精度与帕斯卡窝线方程中关键参数的计算模型;开展了K镜准直装调实验,在准直装调过程中反复修正模型中关键参数,使误差曲线不断趋近最优值。实验结果验证了本文所做研究的有效性及正确性。     

内部振动对30m望远镜三镜的影响

利用数值方法得到任意形式振动下30m望远镜三镜的光学传递函数,并分析其数值精度.在光学传递函数的基础上引入标准化点源敏感性来表征振动对系统光线中继功能的影响.为了验证理论分析,对于某大口径设备进行实验,采用多个加速度计共同采集数据并合成信号的方法来实现镜面运动信息的解耦与测量误差抑制.结果表明:在内部振源工作的情况下,设备点源敏感性从0.999 96下降到0.999 92;使用二阶巴特沃兹带通滤波器后,对于外部的力输出为0.075N.