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″.     

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。     

被动无热化切换式长波红外双视场望远镜

 提出切换式双视场光学系统的结构形式,探讨了切换式双视场光学系统的被动无热化设计理论。在此基础上,设计了工作波长为7.7 μm～10.3 μm的被动无热化切换式双视场望远镜。采用衍射面和非球面减少光学元件数量并提高像质,切换式双视场望远镜在-55℃～+70℃全温度带内MTF@18 lp/mm≥0.45。最后对设计结果进行了扩展,给出2个以该结构形式和材料分配为基础的镜头设计结果,结果表明该结构形式和材料分配具有一定的普适性。     

4.3m望远镜主镜材料选择与镜坯设计

分析微晶玻璃必要性和组成,阐述中俄微晶玻璃的一些优点和区别,并给出主镜毛坯设计实例。     

傅立叶望远镜外场试验聚光镜子镜支撑模块的设计

傅立叶望远镜（Fourier Telescope）作为一种新兴的光电探测技术,已经成为对深空目标高分辨率成像的首选技术之一。为了推进实际系统的工程化进展,本文设计了傅立叶望远镜外场实验系统聚光镜子镜支撑模块,对镜面支撑与角度调整机构采用串联分级设计。子镜底支撑采用圆周均布的3点柔性膜片,可以很好的抵消热变形对面型精度的影响;侧支撑采用中心柔性隔膜定位,6点杠杆重锤承受径向重力载荷的方式;角度调整机构采用3点螺旋传动可以实现对子镜室的3自由度调整。经有限元分析,镜面的PV值为200nm,RMS值为40nm,曲率半径变化小于1毫米。该设计方法对薄镜面的支撑调整也具有一定的参考价值。     

用于地基望远镜的高分辨率倾斜镜设计

根据多镜面地基望远镜在近红外实现共相衍射极限成像的需求,提出了一种基于压电堆栈致动器的高分辨率倾斜镜设计方案。该方案以哑铃型柔性铰链和菱形位移缩小结构(RADS)作为倾斜镜的运动传递元件,压电堆栈致动器(PSA)作为动力元件,并使用电涡流传感器作为角度测量部件。介绍了高分辨倾斜镜的工作原理,并对哑铃型柔性铰链和菱形位移缩小结构进行设计。柔性铰链和位移缩小结构的关键结构参数均采用理论计算、实验和仿真进行优化。建立倾斜镜模型,利用理论计算和有限元仿真软件分别计算倾斜镜的倾斜角度和分辨率。实验结果表明：设计的倾斜镜角度分辨率达到0.017″,最大倾斜角度为14.6″,谐振频率为136.97 Hz,与有限元仿真结果相吻合,满足地基望远镜系统衍射极限成像的要求。     

未来的大望远镜

 1610年1月,伽利略将其简陋的望远镜转向天空,在不长的时间里,作了一系列惊人的天文发现:月球的山脉,木星的卫星,金星的盈亏现象,以及构成银河的无数恒星…….伽利略望远镜的口径只有4厘米,而1897年建成、迄今仍为世界最大的折射望远镜,口径达101.6厘米.为什么不建造更大口径的折射望远镜呢?技术上有很多困难,如好几百公斤重的大口径透镜,将会在其自身重量的影响下发生形变等.另外,大口径透镜固然可以让更多的星光通过,但随着透镜口径的增大,其厚度也相应加大,星光将更多地被吸收,结果是有点得不偿失。     

K镜光机结构优化设计与智能误差分配

以K镜消旋系统为例,针对光机结构中多误差源耦合和误差分配的问题,采用蒙特卡洛算法进行误差分解,并提出了类粒子群优化算法,对误差源进行智能误差分配,以指导工程化的加工公差分配和结构优化极限.首先,对一套悬臂式K镜消旋系统的光机结构引起的消旋指向精度进行误差来源分析;然后,通过蒙特卡洛算法结合粒子群优化方法对误差源进行智能...     

大型光学望远镜次镜调整机构综述

对于大型光学望远镜来说,主次镜之间的相对位姿有着非常严格的要求,由于主镜质量较大,因此常常将次镜系统设计为有多个自由度的可调整机构,其调整效果对望远镜成像有着重要的影响。随着望远镜的口径不断增大,应用场景的不断发展,次镜调整机构不止要保证高精度,还要有高负载,其设计也越来越具有挑战性。为了寻找大口径望远镜次镜调整机构的可行方案,针对大型光学望远镜的次镜调整机构的发展需求和不同的应用情况,对不同的次镜调整机构进行了整理,分类和对比,最后对各种次镜调整机构的优势与不足进行了总结,对大口径望远镜未来的发展进行了展望。     

倒立式三视场施密特望远镜关键技术研究

研制了基于三分区镜的倒立式三视场施密特型望远镜,对其关键技术进行了分析。利用正三棱锥的几何对称性,推导了3个视场的视轴夹角与分区镜面夹角之间的关系式,设计了用于实现多视场观测功能的三分区镜;通过有限元法分析了倒立式施密特望远镜主镜重力形变对像质的影响,阐述了检测光路关键参数对施密特修正镜加工误差的影响程度,采用蒙特卡罗法对该光学系统的杂散光进行了分析。最后对整个光学系统进行了实验检测,检测结果表明：实际研制的三分区镜镜面之间的夹角为133.08°,可同时对相互垂直的3个视场进行观测;该望远镜光学系统的PV=0.614λ,RMS=0.105λ(λ=632.8 nm)。该系统可用于地球空间姿态测量,拓展了施密特望远镜的应用范围。     

望远镜主镜气压力驱动器设计

为了获取优异的光学图像质量,大口径天文望远镜通常采用主动支撑结构以校正主镜面形误差。对望远镜主镜支撑系统所需的气压驱动器进行了研究。基于气动原理设计了一种采用滚动膜片结构的气压力驱动器,其中滚动膜片结构用于消除摩擦力的影响,滚珠式力解耦器用于消除侧向力、弯矩的影响。进一步设计了针对气压驱动器带死区的比例-积分-微分(PID)控制算法,以实现对气压驱动器的闭环控制。实验结果表明:气压力驱动器可精确提供主镜控制所需的支撑力,在望远镜高角变化速度达到2°/s时,输出支撑力范围为0～1000N,驱动器支撑力误差仅为满量程的±0.4%。设计的气压驱动器可实现主动支撑力的快速精确输出,能满足天文望远镜主镜主动支撑需求。     

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.     

利用倾斜镜对太阳像作平场处理

提出一种利用高速倾斜反射镜对太阳像进行平场处理的新方法。介绍了此方法的原理和实际工作过程，并给出了实验结果。结果表明，应用高速倾斜反射镜可以非常有效地对太阳像进行平场处理，提高太阳像成像质量。     

空间太阳望远镜主镜精密温度控制方案介绍

通过光-机-热集成分析，用简单可靠的热控方法，对空间太阳望远镜直径为1m的主镜进行了热设计：采用周边绝热、将热量从正面传导到背面，再设计装有控温回路和热管的集热板，以及与卫星平台辐射器冷板连接散热，保证了主镜的温度水平和稳定性；在主镜压紧结构前设置挡光板，减少压紧结构引起的主镜温度不均匀．结果表明，利用智能型高准确度控温仪和加热回路的优化设计实现主构架均匀性热设计，采用高传热性能热管排散准直镜热反射面极高热流密度，可以消除主镜周围热环境对主镜温度影响的结论．     

Digitalized Mirror Array and Its Application in Large Telescope: Principle and Case Studies

In this article, we report the principle and conceptual design of a fundamentally different technology in fabricating high precision aberrationfree optical devices. The tip-tilt of facet in a mirror array is produced bydigitally controlled line-tilts of rows and columns. It has not only provided a cost-effective designing methodology in optical physics but also led to a much finer precision of 1 mili arc sec or less. As examples of the application of the proposed digitalised optics, two case studies have been given: a 10 m Schmidt telescope (off-axis) and an 8 m Cassegrain telescope (on-axis).     

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.     

星载超光谱成像仪摆镜地面检测系统设计

针对星载超光谱成像仪摆镜系统提出了一种通用方便的地面检测方案,给出了该方案的硬件组成,详细介绍了方案中检测软件的设计方法,阐述了防止步进电机换向丢步及限位信号抖动的措施,给出了软件主要流程框图.实验结果及检测后摆镜实际运行效果验证了该检测方案的有效性、可靠性.     

大型光学综合口径望远镜的新方案

建议一台４．３ｍ光学红外新技术望远镜，并与北京天文台２．１６ｍ望远镜用真空管道联机集像作ＣＣＤ照相和光干涉测量，提高焦光能力达４．８ｍ口径，分辨率可接近１０余米口径。     

离轴二镜平行光管的光学设计

介绍了大口径长焦距离轴二镜平行光管的设计过程,给出了系统初始结构的求解方程,并分析了主次镜同轴设计方法的缺陷.为提高系统像质,提出了在主次镜同轴方法的基础上对次镜绕主镜焦点旋转的离轴化方法.以一个离轴二镜平行光管作为设计实例,计算了次镜离轴对系统像质的影响,通过次镜的离轴优化,得到了成像质量良好的光学系统设计结果.