2.16m望远镜高分辨率光谱仪的天文光学频率梳

介绍了应用于我国兴隆观测站2.16m望远镜高分辨率光谱仪的天文光学频率梳。采用掺镱光纤激光频率梳作为源光梳,通过模式滤波使模式间隔达到25GHz,与天文光谱仪的分辨率相匹配。光谱展宽和平滑后,光谱覆盖可见光范围达到270nm以上,光谱平滑度可长期保持在1dB范围内,边模抑制比达到42dB。该天文光学频率梳的视向速度理论定标精度可达cm/s量级,使寻找系外类地行星乃至直接测量宇宙膨胀速度成为可能。     

空间望远镜主镜的热光学特性分析

主镜是空间望远镜光学系统的重要组成元件,其热光学特性将为光学系统的热控设计提供依据。利用建立在集成分析基础上的热光学分析方法,分析了某空间望远镜主镜在三种不同的温度分布形式,即在径向温度、轴向温度、周向温度梯度的作用下对光学系统成像质量的影响,结合设计的要求,根据计算结果给出了许用温度梯度的范围。     

逆向热蒸发制备望远镜主镜银反射膜

以自上向下热蒸发大型镀膜机为实验平台,开展了逆向蒸发制备大口径银反射镜研究.通过设计特殊蒸发舟及优化相关工艺参数,实现了金属银膜稳定、高速向下蒸发.根据逆向热蒸发工艺特点,选取熔点低、升华型材料Cr和SiO及特殊设计的蒸发舟,以Cr或CrNx为粘结层,SiOx或SiOxNy为保护层,制备了三种具有四层结构的介质保护性银反射膜,并对所制备反射镜样品的反射率、断面形貌和环境稳定性进行了表征.实验结果表明:膜系结构为3 nmCr/120 nmAg/0.6 nmCrNx/150 nmSiOxNy的银反射膜具有较好的环境稳定性和光谱特性;通过了24小时湿热实验(50℃/相对湿度98％/)和盐雾实验,在400～1 800 nm波段光谱范围内,银反射膜的平均反射率达到97.8％.     

天文光学望远镜的调校与检测

本文扼要叙述了天文光学望远镜的通用调校步骤与方法，适用于诸如卡氏（Ｃａｓｓｅｇｒａｉｎ）、葛氏（Ｇｒｅｇｏｒｙ）、奈氏（Ｎａｓｍｙｔｈ）、折轴（Ｃｏｕｄé）、施密特（Ｓｃｈｍｉｄｔ）、牛顿（Ｎｅｗｔｏｎ）望远镜、…等的光学元件及系统的调校。对极轴的高度与方位的调整，也给以简要介绍。本文还概述了对成像质量的检测。文中以通光口径２．１６ｍ天文望远镜为例，给出了光路调整图。     

逆向热蒸发制备望远镜主镜银反射膜（英文）

以自上向下热蒸发大型镀膜机为实验平台,开展了逆向蒸发制备大口径银反射镜研究.通过设计特殊蒸发舟及优化相关工艺参数,实现了金属银膜稳定、高速向下蒸发.根据逆向热蒸发工艺特点,选取熔点低、升华型材料Cr和SiO及特殊设计的蒸发舟,以Cr或CrN_x为粘结层,SiO_x或SiO_xN_y为保护层,制备了三种具有四层结构的介质保护性银反射膜,并对所制备反射镜样品的反射率、断面形貌和环境稳定性进行了表征.实验结果表明:膜系结构为3nmCr/120nmAg/0.6nmCrNx/150nmSiO_xN_y的银反射膜具有较好的环境稳定性和光谱特性;通过了24小时湿热实验(50℃/相对湿度98%)和盐雾实验,在400~1 800nm波段光谱范围内,银反射膜的平均反射率达到97.8%.     

2.5 m级太阳望远镜主镜热控技术研究

大口径太阳望远镜主镜直接暴露在空气中,主镜与环境的温差会引起视宁度效应。为降低视宁度效应,研究了主镜底部制冷空气的温度、风速及气刀风速对视宁度的影响。结合南京大学2.5 m多功能望远镜ISMAT的主镜进行热控技术研究,并以0.02 arcsec的主镜视宁度为优化目标。数值求解结果表明:没有气刀时,满足优化目标的制冷空气温度为283.15 K,进口风速为3.5 m/s;有气刀时,满足优化目标的制冷空气温度为283.15 K,进口风速为3m/s,气刀风速不小于3 m/s。     

会聚更多的光子,探索更深的宇宙空间——介绍2.16米光学望远镜

 科学技术发展到今天已经使天文学家有可能去探测天体在整个电磁波谱中任何一个波段的辐射了。但是光学波段作为“传统”的波段,迄今仍然是研究天体物理的基础。其主要原因是宇宙中大量的物质以凝聚的、温度达数千度乃至数万度的恒星形式存在着。当然,这也包括了恒星集合的星系。它们的辐射主要集中于光学波段。所以,大口径的光学天文望远镜仍然是天文学研究的主要工具。对于天文学家来说望远镜的主要作用是收集光子。我们知道,收集天体光子的能力是和望远镜镜面的面积成正比的。假如某一类天体有相同的光度,那么我们能探测到这类天体的极限距离就和望远镜口径成正比(当然,这里我们忽略了天体之间存在的星际物质对光线吸收的影响)。而且,天文望远镜还将天体成像。其空间分辨率也将和望远镜口径成正比。     

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。     

基于主动光学技术的任意视场变分辨率空间望远镜

介绍了一种新型的空间望远镜,通过改变光学系统焦距,可以提高任意感兴趣视场的成像分辨率.光学系统有四个反射镜组成,包括两个静态非球面反射镜和两个面形动态可调非球面反射镜.通过改变两个可变形反射镜的面形,系统焦距可以在399 mm到558 mm范围内进行动态调整.和机械式变焦系统相比,此主动变焦系统避免了光学元件的精密移动...     

基于主动光学技术的任意视场变分辨率空间望远镜

介绍了一种新型的空间望远镜,通过改变光学系统焦距,可以提高任意感兴趣视场的成像分辨率。光学系统有四个反射镜组成,包括两个静态非球面反射镜和两个面形动态可调非球面反射镜.通过改变两个可变形反射镜的面形,系统焦距可以在399 mm到558 mm范围内进行动态调整.和机械式变焦系统相比,此主动变焦系统避免了光学元件的精密移动,有效减少反应时间。分析了此系统的成像质量,给出了0°、0.51°、0.7°不同视场的弥散斑:1.6 μm、1.0 μm、1.7 μm,及传递函数:在68 lp/mm 时,MTF曲线值大于0.7.此新型成像技术还可以有效减少数据传输链带宽需求,在遥感领域具有广阔的应用前景.     

通光口径2.16m天文望远镜凹双曲面主镜的磨制工艺

2 16m光学望远镜是目前我国研制的口径最大的反射式天文望远镜 ,主镜通光口径为 2 16m ,边厚为330mm ,重量约 2 2 0 0kg ,顶点曲率半径R0 =12 960mm ,偏心率平方e2 =1 0 95 134 7[1] ,相对口径为 1/3,最大非球面度δ0max≈ 2 1μm。由于所用玻璃毛坯为原苏联制造 ,质量极差 ,通体充满气泡、结石、折叠 ,是块等外品。更致命的是磨出的表面各处硬度不均匀 ,出现大面积、形状不规则的高、低区 ,不得不用手持小抛光盘进行手修 ,像雕刻一样去掉那些不规则形状的硬的局部高 ,保留不规则的软的局部低 (所谓修光程 ) ,并把它拼凑成一个较为接近的理想双曲面。可以想像得出 ,这样做会遇到多麽大的困难。在大家的努力下 ,终于用手把它磨修到尽可能完善。最后望远镜在由该主镜、凸双曲面副镜及熔石英像场改正镜组成的R C卡塞格林 (Ritchey ChretienCassegrain)光学系统的焦面上拍摄了星团底片。经鉴定委员会测试组专家测量后认为 ,在全视场 ( 30 0mm× 30 0mm )内 ,不管是边、角还是中心像均很圆 ,暗星像直径达0 18mm。说明主镜的加工工艺是成功的 ,同时也说明凸双曲面副镜的加工、检验[2 ] ,熔石英像场改正镜的设计[1] 、选料、加工[3] 及光学系统的调整[4] 也是成功的。     

Φ2.16m望远镜新副镜的加工工艺

介绍了Φ２．１６ｍ望远镜新副镜加工中的一些工艺难点及所采取的方法，定性分析了选择合适的工具形状，使镜面面形平滑过渡的可能性。对磨制过程中产生不对称像散的原因及克服的方法进行了探讨，给出了望远镜系统最终的检测结果。     

空间望远镜分块式主镜共相位调整的优化算法研究

以应用主动控制系统进行分块镜共相位调整的大口径空间望远镜为研究对象,分析了分块式主镜致动器位移与相位误差之间的对应关系以及共相位调整的目标。研究采用一种求解非线性约束问题的序列二次规划法优化求解主镜致动器的位移控制指令,校正分块式主镜相位误差。数学仿真结果表明,应用序列二次规划法对分块式主镜进行共相位调整优化,控制精度得到了很大地提高。     

Characteristic investigation of Golay9 multiple mirror telescope with a spherical primary mirror

The sparse aperture provides a novel solution to the manufacturing difficulties of modern super large telescopes. Golay configurations are optimal in the sparse aperture family. Characteristics of the Golay9 multiple mirror telescope having a spherical primary mirror are investigated. The arrangement of the nine sub-mirrors is discussed after the planar Golay9 configuration is analyzed. The characteristics of the entrance pupil are derived by analyzing the sub-aperture shapes with different relative apertures and sub-mirror sizes. Formulas about the fill factor and the overlay factor are deduced. Their maximal values are presented based on the derived tangency condition. Formulas for the point spread function (PSF) and the modulation transfer function (MTF) of the Golay9 MMT are also deduced. Two Golay9 MMT have been developed by Zemax simulation. Their PSF, MTF, fill factors, and overlay factors prove that our theoretical results are consistent with the practical simulation ones.     

空间望远镜分块式主镜建模与面形控制方法

空间望远镜分块式主镜的面形是由其背后布置的若干致动器控制的,是一个复杂的控制系统。应用BP神经网络的方法建立了以致动器作用力作为输入、镜面形变的Zernike多项式拟合系数作为输出的镜面形变模型。利用镜面有限元分析的大量数据对该模型进行了离线训练,并在最小二乘法的基础上,设计了加入单纯形修正算法的主镜面形静态控制器。仿真结果表明,应用该控制器对空间望远镜进行在线控制,控制精度优于最小二乘控制法。     

拼接式望远镜主镜衍射效应研究

拼接式主镜的设计使超大口径望远镜的构想成为现实。为了研究拼接式望远镜的成像性能,精确分析和量化了拼接式主镜构型、平移误差、倾斜误差对衍射效应的影响,从拼接式光学系统的成像原理出发,基于齐次坐标变换建立了拼接式主镜的光瞳模型,并仿真分析了拼接主镜构型对衍射效应的影响。分析结果表明:对于不同构型的拼接主镜,其衍射效应受拼接主镜的填充因子和孔径间隔共同影响,填充因子越高,孔径间隔越小,系统成像质量越好。以典型的拼接主镜构型为例,分别仿真分析了单个子镜平移误差、倾斜误差和拼接主镜整体平移误差、倾斜误差对衍射效应的影响。分析结果表明:对于单个子镜,平移误差对远场衍射的影响具有周期性;对于拼接主镜整体,当子镜piston误差的均方根值小于0.039λ时,斯特列尔比大于0.95;当子镜tip-tilt误差的均方根值小于0.036λ时,斯特列尔比大于0.95。分析结果为拼接式望远镜的成像性能分析、主镜的构型设计、平移误差和倾斜误差的检测与调整等提供了依据。     

大口径轻量化主镜的温度场等效模型理论计算

针对大口径望远镜主镜在环境温度变化和太阳辐照变化引起的温度场变化进行了理论分析,根据圆柱坐标下设立的非稳态热传导方程和边界条件,利用分离变量法和格林函数法求解了主镜的温度场分布。为了验证求解的有效性,利用求得的温度场解析式和有限元软件分别分析了2.8 m口径望远镜实心主镜,反射面径向温度分布具有良好的一致性。表明该理论解析式能够较好地反映主镜反射面的温度场分布。将轻量化主镜进行无筋板的薄型镜热模型等效,并分别对两种镜子的温度场进行仿真计算,以此验证等效模型的正确性。轻量化主镜温度场的等效理论计算结果在主镜的早期设计研究阶段具有良好的参考价值。     

大口径轻量化主镜的温度场等效模型理论计算

针对大口径望远镜主镜在环境温度变化和太阳辐照变化引起的温度场变化进行了理论分析,根据圆柱坐标下设立的非稳态热传导方程和边界条件,利用分离变量法和格林函数法求解了主镜的温度场分布。为了验证求解的有效性,利用求得的温度场解析式和有限元软件分别分析了2.8 m口径望远镜实心主镜,反射面径向温度分布具有良好的一致性。表明该理论解析式能够较好地反映主镜反射面的温度场分布。将轻量化主镜进行无筋板的薄型镜热模型等效,并分别对两种镜子的温度场进行仿真计算,以此验证等效模型的正确性。轻量化主镜温度场的等效理论计算结果在主镜的早期设计研究阶段具有良好的参考价值。     

空间太阳望远镜主镜支撑结构的优化设计

空间太阳望远镜主镜是有效口径为1m的抛物面镜,工作状态需要达到衍射极限,因此光学系统要求主镜面形误差小于λ/40(RMS),精度主要靠主镜支撑结构来保证。主镜支撑结构应满足地面调试、在轨及发射状态的需要。支撑结构试验样机已经加工完成,地面调试结果表明主镜的镜面变形满足整个光学系统的要求。试验样机强度和刚度还有较大余量,结构本身比较复杂。用有限元分析方法进行优化设计,优化后的主镜支撑结构满足地面调试、在轨及发射状态的需要,也能保证主镜的面形满足整个光学系统的要求,有效减轻仪器重量、简化支撑结构的同时,提高了整个仪器的可靠性。     

Demonstration of the Golay3 multiple-mirror telescope with a spherical primary mirror

The sparse aperture system is a novel solution to design larger telescope of high angular resolution by utilizing several small sub-apertures to displace the full aperture. The system is of light weight and low cost. Multiple-mirror telescope (MMT) is one type of sparse aperture systems. We have analyzed the Golay3 MMT with a spherical primary mirror to obtain the relationships between the sub-mirrors on the primary mirror and the shapes of sub-apertures on the entrance pupil with different relative aperture by investigating the entrance pupil characteristics. The maximum fill factor and the maximal overlay factor were derived, and the tangency condition when sub-mirrors of the Golay3 MMT are tangency was also given out. The expressions of the point spread function (PSF) and the modulation transfer function (MTF) of the Golay3 MMT were deduced. The characteristics of both the PSF and the MTF were obtained based on the deduced formulas and Matlab simulating patterns. Two Cassegrain telescopes of a spherical primary mirror with the Golay3 configuration and with an aspherical secondary mirror were designed. Based on the relationships between the fill factor and the overlay factor, the optimal parameters of sub-mirrors on the primary mirror were selected. The PSFs and MTFs of Cassegrain telescopes with the Golay3 MMT were designed by Zemax simulation. The simulation results are consistent with the theoretical results.