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k?rQ 58th ILMENAU SCIENTIFIC COLLOQUIUM !R8%C!=a Technische Universität Ilmenau, 08 – 12 September 2014 d<-f:}^k0 URN: urn:nbn:de:gbv:ilm1-2014iwk:3 akv i^]x pyhXET
' 摘要 h,{Q %sqO
mI8EeM a{ 本文討論了基于太空太陽望遠(yuǎn)鏡反射鏡單元的光學(xué)設(shè)計(jì)、雜散光和表面粗糙度的要求和光機(jī)設(shè)計(jì)。一些所需的性能參數(shù)和理論模擬已經(jīng)給出，并通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，滿足了預(yù)期的要求。 8$NVVw]2, OD )X7P U 1. 簡介 L hO\a
3%*igpj\) 這里呈現(xiàn)了ESA/NASA太陽軌道任務(wù)望遠(yuǎn)鏡反射鏡單元的設(shè)計(jì)歷程。該任務(wù)致力于太陽和日光層，并被選為ESA宇宙視覺2015-2025計(jì)劃的第一個(gè)中級(jí)任務(wù)。航天器將會(huì)攜帶各種科學(xué)裝備。加載在它們其中的一種成像遙感儀器是偏振和日震成像儀（PHI）。PHI儀器將會(huì)在可見光的范圍內(nèi)提供光球矢量磁場(chǎng)和視線速度的高分辨率和全盤測(cè)量。LOS線速度地圖將給出太陽內(nèi)部詳細(xì)的日震調(diào)查，特別是太陽對(duì)流區(qū)。通過靠近及從高緯度到35°的位置高分辨率研究太陽，PHI將會(huì)處理和解決太陽物理的基本問題。它由兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡組成。離軸Ritchey-Chrétien（RC）高分辨率望遠(yuǎn)鏡（HRT）將會(huì)在距離近日點(diǎn)150km處的分辨率下形成太陽圓盤的局部像。折射全盤望遠(yuǎn)鏡（FDT）可以在軌道的各個(gè)階段成像全部太陽圓面。每個(gè)望遠(yuǎn)鏡在光路的前面都有自己的偏振調(diào)制包（PMP），來最小化偏振串?dāng)_效應(yīng)。在103信噪比水平上的偏振測(cè)定是PHI的基線。HRT和FDT會(huì)依次將光送入到Fabry-Perot過濾器系統(tǒng)（約100mÅ光譜分辨率）和一個(gè)2048×2048像素的CMOS傳感器上。太陽日光層的圖像如圖1所示。在右邊中心可以看到一個(gè)太陽黑子。此外，日面上的米粒清晰可辨，它們具有幾百到1000km的直徑。 vgeqH[: yX! fj\R 圖1.太陽光球?qū)拥膱D像
@JGmOwZ 下面的模型理論意在反射鏡單元的設(shè)計(jì)。首先，如在FE分析中預(yù)測(cè)的一樣，創(chuàng)建一個(gè)樣機(jī)模型（QM）來檢驗(yàn)反射鏡的機(jī)械、熱學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。這包括比如在休息和操作期間超出預(yù)期負(fù)載的振動(dòng)測(cè)試，來證明設(shè)計(jì)的可靠性。這些測(cè)試成功完成后，兩個(gè)飛行模型已經(jīng)建好，可以預(yù)見，它們將會(huì)集成在飛行模型中又叫做PHI儀器飛行備用零件。 [S'1OR$FQ\ *duG/?>P 本文的結(jié)構(gòu)如下。在接下來的部分中，呈現(xiàn)了望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)，為兩個(gè)反射鏡建立了波前預(yù)算，以確保在操作條件下所需的光學(xué)性能。第一個(gè)干涉測(cè)量顯示了幾乎完美的表面。反射鏡的表面粗糙度和它對(duì)光學(xué)成像的影響在第三章討論。隨后是反射鏡單元的光機(jī)設(shè)計(jì)的展示。這里呈現(xiàn)了有限元分析的一些結(jié)果，并與振動(dòng)測(cè)量的結(jié)果作比較。一個(gè)簡要的總結(jié)概括了這方面做出的貢獻(xiàn)。 CE3l_[c 8C{&i5kj\E 2.光學(xué)設(shè)計(jì)和性能 Hf('BagBL
hJM& rM7 本文的重點(diǎn)是PHI-HRT的光學(xué)和光機(jī)的設(shè)計(jì)。光學(xué)設(shè)計(jì)的草圖如圖2所示。望遠(yuǎn)鏡由一個(gè)主凹面和次凸面鏡組成。系統(tǒng)的入瞳直徑是140mm。主凹面是拋物線型，而次凸面是雙曲型。望遠(yuǎn)鏡的焦距是2475mm。儀器工作在617.3nm的Fe線上，譜寬是30nm。視場(chǎng)是尺寸為±0.14度的矩形。由于望遠(yuǎn)鏡沒有實(shí)際的中間焦點(diǎn)，進(jìn)入到入射光瞳的輻射能量需要通過一系列漸暈光闌停止下來。要求的分辨率大約為1弧秒，引起最大的總波前誤差為λ/25。這給光學(xué)和機(jī)械設(shè)計(jì)施加了極限的挑戰(zhàn)。為了評(píng)估制造以及熱學(xué)和結(jié)構(gòu)效應(yīng)對(duì)光學(xué)性能的影響，運(yùn)行了一個(gè)容差分析，這會(huì)產(chǎn)生望遠(yuǎn)鏡允許的偏心、軸向距離變化、傾斜和表面變形的限制。由于圍繞太陽的預(yù)定橢圓軌道，望遠(yuǎn)鏡需要完全工作在-30°C（遠(yuǎn)日點(diǎn)）到+90°C（近日點(diǎn)）的溫度范圍內(nèi)。為了考慮所有的影響，兩個(gè)反射鏡單元的誤差預(yù)算已經(jīng)建立（見表1），誤差預(yù)算使用波前損耗的各種貢獻(xiàn)來評(píng)估，如溫度變化、裝配誤差、重力釋放和最重要的制造過程，比如光學(xué)表面從它的理想形狀到拋光相關(guān)的偏差。顯然，M1帶有重力釋放的總的預(yù)算略微超出規(guī)格（WFE<25nm）。然而，這里應(yīng)該指出，一方面我們已經(jīng)假定平面外重力（意味著水平安裝）最壞的情況為16nm。重力釋放更加現(xiàn)實(shí)的平面內(nèi)情況提供了只有2nm。另一方面，我們假定一個(gè)相當(dāng)保守的測(cè)量精度為10nm。把這個(gè)考慮進(jìn)去，總的預(yù)算很容易下降到25nmWFE需求以下。 eu5te0{G W^iK9|[qp 圖2.HRT望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)設(shè)計(jì) ^(J rOh'
表1.波前誤差預(yù)算：M1（左手邊），M2（右手邊）
|5vcT, A 圖3.M1基于CGH的NULL光學(xué)-干涉儀
QYbB\Y 此外，通過NULL光學(xué)-干涉儀光學(xué)方法可以測(cè)量反射鏡表面，其中計(jì)算機(jī)生成的全息圖（CGH）用于將波前調(diào)整為非球面表面形狀。M1反射鏡的基本實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。對(duì)于M2，考慮其凸面表面，可以使用相似的裝置。經(jīng)過振動(dòng)測(cè)試（見章節(jié)4.1），M1-QM反射鏡的干涉圖如圖4所示。測(cè)得均方根（rms）波前誤差（WFE）是23.9nm。在中心處相當(dāng)尖銳的梯度位置是人字形-殷鋼底座的固定點(diǎn)。它看來在振動(dòng)測(cè)試期間發(fā)生了微小的環(huán)境效應(yīng)。通過之前執(zhí)行的正弦掃描和之后縱軸0dB隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試之間的微小差異可以部分證實(shí)這一現(xiàn)象。 (m3hD)!+y
F?6kkLS/ {\5(aQ)Vi5 圖4.M1-QM的干涉圖
Lip#uuuXXN 可通過在制造和裝配過程進(jìn)一步改善波前，如插入和反射鏡錐體的共同研磨，反射鏡的性能可以得到極大的提高。FM的干涉圖描繪在圖5（M1）和圖6（M2）中。顯然，可以分別實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的均方根波前誤差值低至為17nm和19nm。因此，對(duì)于誤差預(yù)算（制造+振動(dòng)）所建立的要求可以用一個(gè)舒適的余量來滿足。此外，在離子束成形（IBF）、熱循環(huán)和振動(dòng)后，由于QM觀察的振動(dòng)載荷導(dǎo)致的表面微小偏差，對(duì)于FM反射鏡可以避免，對(duì)于與干涉圖對(duì)立的M1反射鏡，恰好如圖7所示。波前誤差只是輕微的下降，要觀察的形狀沒有顯著的變化。 "=a3"/u
8;gi8Y y11^q *} 圖5.振動(dòng)后M1-FM反射鏡的干涉圖和澤爾尼克系數(shù)
Z 7 @'I0;A 圖6.振動(dòng)后M2-FM反射鏡的干涉圖
xVPSL#> 圖7.M1-FM的干涉圖（IBF、熱循環(huán)和振動(dòng)后）
xC Z_x$bk 然后，將測(cè)量數(shù)據(jù)（整數(shù)格式）導(dǎo)入到光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中，并且運(yùn)行性能分析。用這種方法，可以證實(shí)如果調(diào)整合適，完成的望遠(yuǎn)鏡能夠滿足Strehl > 0.8的要求。另外，“完成”的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)對(duì)高質(zhì)量的反射鏡的衍射MTF’s模擬如下所示（圖8，左）。作為比較，也為一個(gè)在早期拋光不合格的次反射鏡的系統(tǒng)模擬了MTF’s，該系統(tǒng)在靠近邊緣處顯示出嚴(yán)重的波前擾動(dòng)（圖8，右），寬帶-均方根（MSF）大約為7nm（見章節(jié)3）。當(dāng)高質(zhì)量系統(tǒng)的MSF下降到大約1%時(shí)，退化的系統(tǒng)顯示大約5%，這恰好證實(shí)了圖9的估計(jì)。由于與真實(shí)的待觀察對(duì)象（見圖1）已經(jīng)很低的對(duì)比，這是不可接受的。請(qǐng)注意，截止頻率準(zhǔn)確的計(jì)算為
。 lfAy$qP"} <.)= CK 圖8 集成高質(zhì)量反射鏡的望遠(yuǎn)鏡模擬衍射MTF，高質(zhì)量反射鏡-左（圖5和圖6），和一個(gè)具有退化M2的望遠(yuǎn)鏡-右
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