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 南京天文光学技术研究所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
大型光机仪器难以在短期内实现加工,为了验证仪器设计的正确性,利用相似模型试验替代原型研究。基于相似定理,推导了三十米望远镜(TMT)宽视场光谱仪准直镜系统原型和缩尺模型之间的相似关系;建立了准直镜系统原型的有限元模型及1∶3缩尺模型的有限元模型,对二者进行了模态分析和面形分析,并对缩尺模型实物进行了相似模型试验和分析。研究结果表明,在1∶3的缩尺比例下,准直镜系统缩尺模型与原型的振型相似性符合理论分析结果;在工作环境下,缩尺模型的表面波前误差的均方根值为0.065λ(λ为波长)。模型试验结果证明准直镜系统的缩尺模型满足光学系统的工作要求。利用缩尺模型能够预测原型动态响应及面形变化,为后续项目的正式研究提供技术积累。
激光与光电子学进展
2021, 58(14): 1412005
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了更好地对三十米望远镜三镜, 即巨型科学可控反射镜(Giant Steerable Science Mirror, GSSM)的抖动(Jitter)特性进行研究, 利用信号的复数表达分别分析了时域积分与频域积分的特性, 明晰了二者之间的关系, 并从积分精度的角度上, 选择频域积分作为GSSM Jitter 数据的处理方法。同时, 对比了高精度编码器以及高精度加速度计对抖动测量的适用性, 验证了使用加速度计测量的合理性。针对 GSSM 内部振动的影响, 选择频响函数法测量内部作用力。最后, 对GSSM缩比模型进行了Jitter检测, 得到镜面方向Jitter 为0.079 7 μm, 方位轴方向为14.143 2 mas, 俯仰轴方向为20.747 5 mas, 内部作用力为0.003 3 N。
三十米望远镜 三镜 抖动测量 频域积分 加速度计 Thirty Meter Telescope(TMT) tertiary mirror Jitter measurement frequency domain integration accelerometer
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100039
巨型科学可控反射镜(GSSM)缩比模型(GSSMP)的子孔径拼接误差的分析可以指导GSSM的面形检测工作.GSSMP子孔径拼误差包括子孔径刚体位移误差以及中频扰动.对子孔径刚体位移误差而言, 合理的靶标布置以及最小二乘算法的使用, 可将误差量级降低到计算机可分辨的最低程度, 即不引入算法误差; 同时也降低了对测试执行部件的精度要求.对中频扰动误差而言, 可结合标准平面镜与干涉仪对实验环境中大气湍流的影响进行估计.除此之外, 对子孔径拼接顺序带来的误差进行分析.最后, 基于三十米望远镜的面形评价方法, 即斜率均方根对上述误差进行换算表征.算法修正后, 子孔径对准误差为 10－6 μrad、子孔径平移误差为10－6 μrad、子孔径倾斜误差为10－6 μrad以及大气扰动误差为0.04 μrad.利用信噪比来表征拼接顺序所带来的影响, 使用一个子孔径作为基准进行拼接的情况下, 拼接顺序带来的影响小于2%.本文的拼接算法, 可以在较低的机械精度下, 利用靶标对准与合理的拼接顺序, 达到较高的拼接精度.
三十米望远镜 巨型科学可控反射镜原理样机 误差分析 子孔径拼接 Thirty Meter Telescope Giant steerable science mirror prototype Error analysis Sub aperture stitching
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100039
3 长春理工大学 , 吉林 长春 130022
为了充分分析三十米望远镜(TMT)巨型可控科学反射镜(GSSM)系统平面镜面形精度与跟踪指向精度要求, 需要对其建立完善的系统误差模型。本文采取自上而下的系统误差分配方式, 基于TMT望远镜系统的标准化点源敏感性(PSSn)指标, 利用其良好的合成与分解特性, 对技术指标进行理解与分析, 最终转换为平面镜面形精度与跟踪指向精度要求; 另一方面对影响系统性能的扰动因素进行了分析, 对于静态误差, 利用有限元分析结果, 比较了重力印透与大气扰动对PSSn的影响, 对动态误差而言, 使用系统传递函数进行系统性能评价。最后, 提出了各个关键部件的指标要求, 建立了GSSM的系统误差模型, 结果满足TMT望远镜系统要求, 可作为开展GSSM系统研制的依据。通过分析系统静态误差和动态误差与PSSn的关系发现: 当r0小于0.1 m时, 视宁度对 PSSn 的影响较大; 只有在大气视宁度较好的情况下, 镜面印透才可以发挥作用。随着振动幅度的增加, 系统传递函数退化, 其PSSn会从0.996相应地减少到0.992。通过本文研究可以得出, PSSn作为下一代望远镜性能评价与误差分配指标有着特有的优势, 其独特的合成特性与频域计算方法, 可以对下一代望远镜的建设做出巨大贡献。
误差分析 系统工程 三十米望远镜 Error analysis system project PSSn PSSn GSSM GSSM 30-meter telescope
1 中国科学院长春精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
三十米望远镜(TMT)的三镜(M3M)及其缩比反射镜(M3MP)为椭圆形反射镜，采用18 点whiffletree 支撑结构。总结了望远镜支撑点优化方法的发展，并采用多学科集成优化软件ISight 对M3MP 进行了支撑点优化。优化的目标函数选取M3MP 在光轴竖直状态下的镜面面形误差SlopeRMS 值，优化算法采用全局优化算法模拟退火算法。最终面形误差SlopeRMS 相较初始点下降了14.3%，结果表明优化方法有效。
光学设计 三十米望远镜 缩比系统 支撑点 优化 模拟退火 激光与光电子学进展
2015, 52(11): 112205
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了更好地评价 30 m望远镜三镜 (TMT M3)的反射镜, 本文结合系统频域特征以及斜率均方根, 对于其检测、评价的基本原理进行研究。首先根据斜率均方根 (slope RMS)的定义, 基于正弦多项式, 对于其基本性质进行推导与分析; 然后, 针对斜率测量, 提出 slope RMS的分离与合成方法, 为提出符合 TMT招标方要求的检测评价方法提供理论基础; 最后, 将本文方法应用于 TMT三镜仿真数据, 检验了本文假设的正确性与方法的可行性。
三十米望远镜三镜 斜率均方根 频域特征 低阶像差 TMT M3 slope RMS frequency domain feature low order aberration
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
三十米望远镜(TMT)是一台Ritchey-Chrétien(R-C)式的30 m口径光学红外望远镜，其三镜为椭圆形平面镜，口径为3.594 m×2.568 m，重量达到1.8 t，三镜系统需要把来自次镜的光折转到望远镜两侧耐氏平台上的一系列科学仪器上，具有跟踪和快速定向功能。三镜支撑系统必须保证镜面面形优于λ/5(波长λ=632.5 nm)或者均方根(RMS)斜度小于1 μrad。支撑系统包括底支撑系统和侧支撑系统，底支撑系统采用18点Whiffletree结构，通过优化分析，面形RMS值达到118.5 nm。针对三镜在支撑结构作用下的面形不能满足设计要求的特点，提出了采用力矩进行校正的方法，使镜面面形满足了设计要求。
光学设计 三十米望远镜 三镜 底支撑 优化设计 激光与光电子学进展
2013, 50(9): 092202
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所， 吉林 长春 130033
为了充分了解三镜在大口径望远镜系统中体现的功能，满足口径日益增大的望远镜系统研制要求，对国内外大口径望远镜中应用的三镜系统进行技术性的调研和总结。从望远镜光学系统结构发展、口径变化、功能要求等三方面对三镜系统进行详细的技术阐述，并结合三十米望远镜(TMT)三镜系统的概念设计进行了具体的技术说明。结果表明，三镜在望远镜系统，尤其是大口径望远镜中的作用越来越突出，并且随着望远镜技术的发展，对三镜系统赋予的功能要求也越来越丰富与严格。
光学设计 三镜系统 三镜支撑技术 大口径望远镜 三十米望远镜 激光与光电子学进展
2013, 50(5): 050005
