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。     

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。     

700mm光学望远镜结构设计与分析北大核心CSCD

针对某700mm口径高分辨率光学成像望远镜,提出了一种结构设计方案。对主镜支撑采用9点whiffle-tree底支撑加球头芯轴侧支撑的结构方案,保证主镜具有高面形精度;望远镜镜筒采用碳纤维桁架式结构,既满足望远镜整体重量较轻,又可以保证系统刚度;建立了望远镜有限元模型,分析主镜支撑面形、主次镜相对偏心及系统整体模态特性,其中主镜支撑面形精度可达到λ/40,主、次偏心为0.015mm(水平状态)、0.008mm(竖直状态);使用激光干涉仪及平行光管对望远镜光学指标进行定量检测,光学系统RMS可达到λ/14,鉴别率板检测望远镜分辨率可达到46lp/mm,均接近光学极限水平。为同类望远镜的结构设计提供一定参考价值。     

700mm光学望远镜结构设计与分析

针对某700mm口径高分辨率光学成像望远镜,提出了一种结构设计方案。对主镜支撑采用9点whiffle-tree底支撑加球头芯轴侧支撑的结构方案,保证主镜具有高面形精度;望远镜镜筒采用碳纤维桁架式结构,既满足望远镜整体重量较轻,又可以保证系统刚度;建立了望远镜有限元模型,分析主镜支撑面形、主次镜相对偏心及系统整体模态特性,其中主镜支撑面形精度可达到λ/40,主、次偏心为0.015mm(水平状态)、0.008mm(竖直状态);使用激光干涉仪及平行光管对望远镜光学指标进行定量检测,光学系统RMS可达到λ/14,鉴别率板检测望远镜分辨率可达到46lp/mm,均接近光学极限水平。为同类望远镜的结构设计提供一定参考价值。     

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.     

基于曲率传感的主焦巡天望远镜集成检测方法

通过对望远镜进行曲率波前感知,以更好地实现主焦巡天望远镜的集成检测。首先,利用傅立叶光学理论分析了主焦巡天望远镜曲率传感过程以及多环节动态稳定性传递基本原理。其次,对主焦巡天望远镜集成检测中的静态校正与动面形测量过程进行误差分析。然后,分析了调节过程中的自由度锁定。最后,通过实验实现了集成检测过程的原理贯通。所获得的波前探测残差优于0.08λ(λ=633 nm)。空间分辨率为0.1 m,时间分辨率为0.2 Hz。本方法可有效提升主焦点大口径大视场望远镜的成像质量,利用曲率传感非干涉、高鲁棒的特点,降低了集成检测过程对外界环境稳定性的需求,为未来更加精细的时域天文学观测提供助力。     

大型合成孔径望远镜标准化点源敏感性分析

为了更好地对大口径光学系统进行误差分析、分配,本文在美国TMT主镜团队所提出的"标准化点源敏感性"的基础上,研究了大口径合成孔径望远镜各项误差的特性及其分配。首先,对"标准化点源敏感性"的基本性质进行了研究,论述了其作为大口径合成孔径望远镜全频域评价指标的优越性;之后,分析了不同误差源对合成孔径望远镜"标准化点源敏感性"的影响,以及在不同评价尺度下对应的标准化点源敏感性;最后,利用标准化点源敏感性与斜率均方根之间的关系,针对合成孔径望远镜子镜间相对位置误差存在封闭性的特点,提出了基于"Brownian Bridge"过程与"标准化点源敏感性"的误差模型。本文的工作对于类似的大口径系统设计与检测也有着一定指导意义。     

基于功率谱的反射镜面形评价

针对表面高度均方根（RMS）难以描述大尺度波动以及刚体位移鲁棒性差的缺点,提出了使用功率谱（PSD）对大口径望远镜系统中主反射镜面形进行评价;结合Zernike多项式,对PSD的分解运算进行了分析,讨论了Zernike多项式的频谱能量分布;将该方法用于Φ500 mm反射镜面形检测数据的处理,得出实际反射镜表面面形频域能量分布情况。结果表明：对于大口径反射镜,使用PSD的评价方式对于指导加工检测以及望远镜系统误差的分配具有更实用的意义。最后,基于PSD提出了一种评价反射镜面形的子孔径非相关拼接方法,该方法适用于大口径望远镜中大口径光学元件的面形精度评价。     

基于功率谱的反射镜面形评价

针对表面高度均方根(RMS)难以描述大尺度波动以及刚体位移鲁棒性差的缺点,提出了使用功率谱(PSD)对大口径望远镜系统中主反射镜面形进行评价;结合Zernike多项式,对PSD的分解运算进行了分析,讨论了Zernike多项式的频谱能量分布;将该方法用于Φ500 mm反射镜面形检测数据的处理,得出实际反射镜表面面形频域能量分布情况。结果表明:对于大口径反射镜,使用PSD的评价方式对于指导加工检测以及望远镜系统误差的分配具有更实用的意义。最后,基于PSD提出了一种评价反射镜面形的子孔径非相关拼接方法,该方法适用于大口径望远镜中大口径光学元件的面形精度评价。     

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。     

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。     

300mm平面标准镜装卡结构的关键参数

为了实现大口径平面标准镜的高精结构装卡,对其在重力作用下的面形变化进行了研究。首先,对结构胶的有限元建模进行了理论分析,建立了大口径平面标准镜胶结装卡结构有限元模型。然后,分析了不同胶点数量及分布、不同胶接面积以及不同镜框支撑方式等关键结构参数对参考面面形的影响。最后,设计了大口径平面标准镜胶结及支撑的结构。结果表明,采用胶点直径为5 mm,12×3胶点分布形式胶结时,参考面面形的PV值为24.06 nm,RMS值为6.78 nm,满足了大口径平面标准镜面形精度的要求。     

自适应光学系统校正后实际分辨率评价指标

为了评价地基大口径望远镜对空间目标自适应光学系统校正后的实际分辨率,提出了可分辨单元数比指标。结合1.23 m自适应光学望远镜的观测数据,对可分辨单元数比的物理意义、适用范围、误差影响因素以及大气弥散的影响进行了分析。结果表明：可分辨单元数比能全面反映望远镜系统对空间目标自适应校正后的实际分辨率,且物理意义更直观;适用于所有可获取波前特征的望远镜自适应校正后实际分辨率的评估;其误差主要依赖于波前探测器的测量误差;大气弥散对其影响可忽略。     

子孔径拼接技术应用的研究

大口径光学元件的检测开拓了子孔径拼接应用的新领域。采用小口径干涉仪对大口径被测元件不同区域进行波前检测,然后恢复计算出被测波前。使用光学设计软件ZEMAX对子孔径检测拼接技术进行了模拟,模拟结果表明：波前检测相对误差小于4.3λ‰,实现了对大口径光学元件面形的高精度检测,避免了相同口径检测干涉仪的使用,降低了检测成本及难度。     

300mm平面标准镜装卡结构的关键参数

为了实现大口径平面标准镜的高精结构装卡,对其在重力作用下的面形变化进行了研究。首先,对结构胶的有限元建模进行了理论分析,建立了大口径平面标准镜胶结装卡结构有限元模型。然后,分析了不同胶点数量及分布、不同胶接面积以及不同镜框支撑方式等关键结构参数对参考面面形的影响。最后,设计了大口径平面标准镜胶结及支撑的结构。结果表明,采用胶点直径为5 mm,12×3胶点分布形式胶结时,参考面面形的PV值为24.06 nm,RMS值为6.78 nm,满足了大口径平面标准镜面形精度的要求。     

郎奇法检测大口径光学非球面镜

提出了一种用朗奇法定量检测大口径非球面的新技术。主要以大口径非球面镜的加工表面为研究对象,设计了大口径非球面检测系统,该系统由CCD摄像机、He-Ne激光器、郎奇光栅、微型计算机等组成。并利用大口径非球面检测系统对一个顶点曲率半径为1638．69mm,被测曲面半通光口径为315mm的光学元件的面形进行了实际测量,给出了光学元件标准偏差和峰谷值测量结果。最后对测量结果进行了讨论。研究结果表明：基于郎奇法的几何原理,利用CCD摄像系统定量检测大口径非球面的方法具有较高的精度。     

1 m太阳望远镜光电导行镜无热化分析

作为1 m太阳望远镜（NVST）导行系统的重要组成部分,导行镜的成像稳定性至关重要。环境温度载荷造成的镜体变形会造成热离焦从而影响导行镜的成像质量。采用有限元方法分析NVST导行镜在-5 ℃、20 ℃和35 ℃等不同环境温度状态下的温度分布,并计算了温度变化产生的轴向结构变形,即最大离焦量为6.45 m。计算结果表明:主镜到靶面的距离变化最大值常温下为7.14 m远小于系统焦深（35 m）, 达到了对NVST导行镜无热化结构设计的目的。     

自动聚焦激光诱导击穿光谱远程测量系统

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术具有非接触测量、无需样品预处理以及快速多元素同时分析等特点,适合于高温、高压、真空、有毒以及敌对环境等仪器和操作人员无法靠近观测对象的应用中。LIBS技术结合望远镜系统可以实现物质成分的远距离检测与分析。搭建了一套可自动聚焦的LIBS远程测量系统。该系统中的望远镜采用Schwarzschild结构,由一块凹球面反射镜和一块凸球面反射镜组成。两块球面反射镜共轴安装。其中凸面反射镜安装在电控精密平移台上,电动平移台可带动凸面反射镜沿光轴移动。通过调整凸面反射镜的位置,改变凸面反射镜和凹面反射镜的间距,进而改变系统的焦距,实现对不同距离的样品进行光谱测量。该结构的优点在于：激光聚焦光路与信号光采集光路相同,便于安装和调试;望远镜系统采用全反射式光路,适用于紫外波段检测;只包括两个球面反射镜,结构紧凑,元件容易加工。望远镜系统调焦距离为1.5～3.6 m,聚焦光斑直径约为0.5~1.0 mm。使用该系统对铜样品进行了LIBS实验,确认了Cu元素的特征谱线。通过测量Cu元素的LIBS特征谱线(Cu Ⅰ 223.01 nm, Cu Ⅰ 224.43 nm)峰面积和反射镜间距之间关系,得到了激光的最优聚焦位置。实验结果表明,该系统能够完成样品的远程激发和LIBS光谱测量,并能够对不同距离的样品进行自动聚焦。     

16 mv精细导星星库构建与评价

精细导星星库是空间大口径望远镜开展导星过程的必要组成部分,是用来确定空间望远镜视轴绝对指向的关键依据。基础星表的挑选、导星星库的容量、划分方式和天区搜索速度对于实现精细导星功能和性能指标都极为重要。在视场约为0.08 deg2精度要求高的条件下,选用UCAC4星表作为基础星表,提出混合分区星等过滤算法进行导星筛选,为了实现星表的快速搜索,对导星星表的存取方式进行了详细分析,构建了一个由约400万颗10 mv~16 mv导星组成的精细导星星库,并进行星库均匀性和搜索速度分析。仿真结果表明,基于UCAC4星表构建的16 mv精细导星星库全局均匀性达到0.44,导星搜索时间0.05 s,视场中星数适中,能被高效识别的概率达到75.51%,可作为精细导星星图识别的基准,支撑未来大口径空间望远镜的观测。