1 中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所，江苏 南京 210042
2 中国科学院天文光学技术重点实验室（南京天文光学技术研究所），江苏 南京 210042
3 中国科学院大学，北京 100049
大口径、长焦距的水平光学检测系统极易受到气流扰动的影响，气流扰动会引起光路中温度、速度、压强等多个物理量在时间和空间上随机动态变化。尤其是温度在空间上呈现梯度分布，以及在时间上存在缓慢漂移，均将会直接导致空气折射率的动态变化，从而导致点扩散函数退化、引起波前倾斜、出现波前时变。为了抑制气流扰动对检测光路的影响以及提高检测精度，基于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法，提出了风扇强制对流的室内温度场控制方法，确定风扇放置方式与风扇数量。采用温度最大峰值（Peak to Valley, PV）并引入了最大光程差概念，综合评价光路温度场的均匀性。经过多次实验验证，采用强制对流方案，将0°像散标准差从
$0.146 \lambda $![]()
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降低到
$ 0.026\;3 \lambda\;(\lambda=632.8\; \mathrm{nm}) $![]()
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，显著提高了光路温度场的均匀性与稳定性，大幅降低了光学检测误差，提高了检测精度。为今后保障狭长通道内长光路、大口径光学检测系统的测量精度提供了借鉴。
红外与激光工程
2022, 51(12): 20220204
1 中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所, 江苏 南京 210042
2 中国科学院天文光学技术重点实验室(南京天文光学技术研究所), 江苏 南京 210042
3 中国科学院大学, 北京 100049
混合使用响应面近似模型和直接优化方法对主镜进行轻量化和支撑点布局集成设计,并以2.5 m地基光学望远镜的超低膨胀主镜为例,对该方法的参数敏感性分析、基于Kriging响应面多目标遗传算法的全局优化、基于混合整数序列二次规划梯度算法的局部优化过程进行研究,并采用折衷规划理论制定评价函数。集成优化结果表明,与相同尺寸的实心镜相比,主镜采用背部局部开放式六边形孔夹芯三明治结构时,轻量化率为72.13%。主镜轴向采用54点whiffletree被动支撑,在光轴竖直及重力载荷下镜面变形的均方根值为6.08 nm,各项指标均满足设计要求。
地基光学望远镜 轻量化设计 主镜支撑 集成优化设计 混合优化方法 光学学报
2020, 40(22): 2212001
1 中国科学院 国家天文台南京天文光学技术研究所, 江苏 南京210042
2 中国科学院 天文光学技术重点实验室(南京天文光学技术研究所), 江苏 南京 210042
3 中国科学院大学, 北京100049
为了降低较为昂贵的镜面抛光和光机装配费用, 以及应对温度、重力及其他意外因素导致的镜面低阶像差, 一种在被动浮动支撑结构上施加力矩以实现面形实时校正的力矩促动器在部分望远镜上已有成熟应用。本文旨在针对我国未来的大口径地基光学望远镜, 对其拼接子镜力矩促动器的分布进行优化与设计。根据工程经验和参考文献初步确定力矩促动器所需的校正能力, 通过三维建模软件对拼接子镜及镜室进行建模, 最后通过有限元仿真和最小二乘法拟合对力矩促动器的布局进行优化设计。计算结果表明, 采用18个力矩促动器的分布方案能够对离焦、像散、彗差和三叶像差进行良好的校正。对于具有数百面子镜的拼接望远镜来说, 18个力矩促动器方案在满足光学设计需求的同时, 有效节约了建设经费并降低了工艺的复杂性。
拼接镜面 力矩促动器 有限元 折减系数 面形分析 segmented-mirror warping harness finite element method reduction factor mirror figuration analysis
1 中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所, 江苏 南京 210042
2 中国科学院天文光学技术重点实验室, 江苏 南京 210042
3 中国科学院大学, 北京 100049
大口径光学镜面检测系统常常需要透镜元件。透镜元件由自重引起的表面变形严重干扰了系统成像质量, 优化设计合适的支撑方案获得较小的变形量是较为关键的工作。针对某检测装置中直径为1.5 m的透镜进行研究, 使用三维绘图软件Solidworks和有限元软件Ansys模拟透镜支撑点的位置和力的大小, 通过实验设计软件Design-Expert以及Ansys中的OPT模块进行优化, 选定最佳的设计方案, 借助Zernike多项式拟合出透镜前后表面的面形。结果表明: 透镜两个表面变形量的均方根(RMS)值分别为1.85 nm和3.28 nm, 波峰-波谷值分别为9.4 nm和24.4 nm, 透镜的整体变形量引起的透射波前像差RMS值为0.998 nm, 满足镜面检测对于透镜的精度要求。
光学设计 大口径透镜 有限元分析 响应面优化 Zernike多项式 波像差 激光与光电子学进展
2017, 54(1): 012203
1 中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所, 江苏 南京 210042
2 中国科学院天文光学技术重点实验室, 江苏 南京 210042
3 中国科学院大学, 北京 100049
4 中国南极天文中心, 江苏 南京 210042
基于标准k-ε 两方程湍流模型和2.5 m 光学望远镜的4种典型天文圆顶，通过计算流体动力学软件Fluent进行数值风洞模拟实验。研究了在不同方向的恒定风作用下，圆顶打开时望远镜周围风速、湍流动能的分布状态和对天文观测的影响，以及圆顶关闭时风场对于圆顶外壁的压力情况。结果表明，封闭性较好的经典圆顶和球形圆顶对于不同方向风的阻隔效果明显，望远镜处于低速风环境，望远镜周围湍流动能较低，但视宁度较大；开放性更好的柱式和蚌壳折叠式圆顶所保护的望远镜则更多地处于高速风环境，视场方向的湍流动能相对较高，但视宁度相对较小；圆顶关闭时，顺风方向上，4种结构表面所受风压均呈现由正高压向负高压转化，最终接近于0的发展趋势。根据分析结果提出了不同天文圆顶的适用条件和不利因素，为今后不同气候环境下光学望远镜圆顶结构的设计提供了参考。
大气光学 大气湍流 天文圆顶 数值风洞模拟 结构设计 计算流体动力学
