1 哈尔滨工程大学物理与光电工程学院, 纤维集成光学教育部重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 哈尔滨工程大学烟台研究院, 山东 烟台 264006
3 青岛哈尔滨工程大学创新发展中心, 山东 青岛 266000
4 中国科学院云南天文台, 云南 昆明 650011
三维成谱成像技术是一种能够对观测视场中的所有展源目标进行实时光谱获取的技术, 它可以通过单次采样同时获得目标光谱域和二维空间域信息。 光纤积分视场单元(IFU)则是天文三维成谱成像技术的关键器件, 通过将接收的像面切分, 将像面信息细分到若干单元传递至光谱仪, 在此过程中二维的展源目标被重整为互不干扰的线性排列供光谱仪进行采样提取, 能有效提高天文观测的时间分辨率。 介绍一种具有242光纤单元的IFU, 该IFU目前应用于中科院云南天文台的光纤阵列太阳光学望远镜(型号FASOT-1B)系统。 为满足FASOT-1B的指标要求, 获得高传输效率、 高光谱分辨率和高时间分辨率观测效果, 该IFU采用微透镜阵列加光纤阵列的结构, 该微透镜为正六边形球面镜, 实现接近100%的空间填充率。 综合考虑光纤积分视场单元前置望远镜系统和后端光谱仪系统的设计参数, 优化设计了一对11×11的微透镜阵列, 相邻微透镜间距300 μm, 每个微透镜对应天区1.5″, 以焦比F/8.2将接收到的光汇入与其对应的光纤纤芯中。 系统分析光纤芯径与光谱仪光谱分辨率间的关系, 设计的光纤规格为: 35/105/125 μm, 该设计既能满足光纤接收微透镜所传递的全部光信息, 同样可以得到系统需求的光谱分辨率和相对短的狭缝宽度。 量化分析IFU阵列端光纤直径与微微孔深度对光纤实际入射焦比的影响, 选定的微孔尺寸直径130 μm, 深3 mm。 阵列端二维排布的光纤在赝狭缝端经过重整, 以线性排列将光信息导入光谱仪, 相邻光纤间距130 μm。 整个IFU的能量传输效率均值77.7%, 波动值RMS 1.6%； 所有光纤出射焦比EE90均慢于F/7。 IFU出射端(赝狭缝端)光纤横向(排列方向)偏移量RMS值小于2.7 μm, 纵向(垂直于排列方向)偏移量RMS值小于1.8 μm。 FASOT-1B系统安装IFU并调试后进行了验证性观测, 成功获取了太阳NOAA12738活动区MgI色球的斯托克斯光谱, 该IFU也成为国内首个自主研制并应用于科学观测的光纤加微透镜型IFU。
三维成谱成像 光纤阵列太阳光学望远镜 积分视场单元 太阳光谱 Three-dimensional spectral imaging Fiber array solar optical telescope IFU Solar spectrum 光谱学与光谱分析
2023, 43(4): 1168
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
对于大型光学望远镜来说,主次镜之间的相对位姿有着非常严格的要求,由于主镜质量较大,因此常常将次镜系统设计为有多个自由度的可调整机构,其调整效果对望远镜成像有着重要的影响。随着望远镜的口径不断增大,应用场景的不断发展,次镜调整机构不止要保证高精度,还要有高负载,其设计也越来越具有挑战性。为了寻找大口径望远镜次镜调整机构的可行方案,针对大型光学望远镜的次镜调整机构的发展需求和不同的应用情况,对不同的次镜调整机构进行了整理,分类和对比,最后对各种次镜调整机构的优势与不足进行了总结,对大口径望远镜未来的发展进行了展望。
大型光学望远镜 次镜系统 调整机构 large optical telescope secondary mirror system adjustment mechanism
红外与激光工程
2021, 50(11): 20210199
1 中国科学院 国家天文台 空间天文与技术重点实验室，北京000
2 中国科学院大学，北京100049
3 广西大学 物理科学与技术学院 广西相对论天体物理重点实验室，广西南宁50004
宇宙线事件是CCD和CMOS空间探测图像中普遍存在的现象，对目标的识别和提取造成了干扰。对于空间天文观测图像，提出了一种基于天文位置定标的识别算法，并在 230帧嫦娥三号月基光学望远镜的CCD图像中，共检测到29 731例宇宙线事件。与传统的拉普拉斯算法相比，本算法检测到的宇宙线事件总数多11.14%，多出的部分主要是形态与星像类似的宇宙线事件；在拉普拉斯算法检测到的样本中，98.07%可被本算法检测到；对本算法没有检测到的1.93%样本进行了检查，发现其中48.64%为恒星星像，是错误识别。分析统计了宇宙线事件在月基光学望远镜CCD靶面上的电子沉积分布，和哈勃太空望远镜的两个CCD探测器的结果对比，发现两者形态类似，但前者的峰值略高；进一步分析了宇宙线事件入射角度在CCD靶面上的二维分布，发现在两个方向上有明显超出，可以理解为探测器在嫦娥三号着陆器内部等效铝厚度较小。最后，本文提取出所有识别出的宇宙线事件的形态，建立了“CCD探测器宇宙线实体样本库”，可为空间天文望远镜图像仿真系统提供依据。
月基光学望远镜 电荷耦合器件 宇宙线 天文位置定标 天光背景拟合 lunar-based ultraviolet telescope charge coupled device cosmic rays astrometry sky light background fitting 光学 精密工程
2021, 29(10): 2330
1 中国科学院 国家天文台南京天文光学技术研究所，江苏南京20042
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），江苏南京1004
3 中国科学院大学，北京100049
为适应光学红外望远镜口径不断增大的需求，降低驱动功率，应用碳纤维复合材料对望远镜主镜室桁架进行轻量化设计。对望远镜主镜室碳纤维复合材料桁架单元铺层进行优化设计，利用进化算法选取最优铺层方案。对望远镜主镜室桁架单元建模，并利用敏感性分析及进化算法选取最佳铺层方案，设计另外3种典型铺层方案进行对比，对桁架杆单元进行静力学分析和加载实验，对桁架杆组装成的六杆三棱锥单元进行模态分析和振动测试。有限元分析和实验结果对比表明：最优铺层方案为［±45°/90°/0°/90°/0°］s。有限元分析得到该方案桁架杆单元的等效轴向刚度为8.306×106 N/m，实验测得为7.463×106 N/m；有限元分析得到的等效径向刚度为3 968.3 N/m，实验测得为3 344.5 N/m。该方案六杆三棱锥单元模态分析得到一阶频率为93.699 Hz，振动测试测得一阶频率为84.683 Hz。复合材料桁架杆质量比同尺寸的钢结构杆减轻了77.6%，静力学性能与动力学性能均优于同质量钢杆。最佳铺层方案的有限元分析结果和实验结果表明其静力学性能及动力学性能均优于其他方案。
光学望远镜 主镜室桁架单元 碳纤维复合材料 进化算法 优化设计 optical telescope primary mirror chamber truss unit carbon fiber composite evolution algorithm integrated optimization
1 长春理工大学 机电工程学院，吉林 长春 130022
2 长春理工大学 空间光电技术国家地方联合工程研究中心，吉林 长春 130022
3 长春理工大学 光电工程学院，吉林 长春 130022
针对空间碎片探测与测距复合系统地面验证演示实验中，工作环境10~30 ℃、光学基台的尺寸限制（不超过450 mm×400 mm）以及光学望远镜尾部安装导致重心远离安装面的问题，提出了空间碎片探测与测距复合系统光学望远镜的设计。使用ANSYS有限元分析软件对光学望远镜建立了有限元模型，针对环境温度10~30 ℃、尾部安装状态下、光轴方向和垂直光轴方向1 g （g=9.8 m/s2）重力加速度工况下进行了分析。分析结果表明：光学望远镜整机一阶模态为133 Hz动态刚度较好，重力为光轴方向时主次镜间距最大变化量0.01 mm，重力为垂直光轴方向时主次镜间距最大为0.007 mm，光学望远镜系统波像差RMS值为λ/15，次镜最大倾角1.93″，具有较好的力、热稳定性，可以满足光学天线装校、检测以及外场实验验证过程中的指标要求。在光学望远镜装校完成后，使用ZYGO干涉仪对其像质进行检测，在重力垂直于光轴方向、环境温度10、20、30 ℃条件下进行检测，结果显示：系统波像差RMS值分别为0.097λ、0.075λ及0.1λ，整机光学望远镜系统波像差RMS值在最低温与最高温度时均优于λ/10均满足系统使用要求。
空间碎片 测距与成像复合系统 光学望远镜 仿真分析 space debris ranging and imaging compound system optical telescope simulation analysis 红外与激光工程
2021, 50(7): 20200464
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
3 吉林大学 机械与航空航天工程学院, 长春 130012
在1.2 m车载望远镜的基础上, 通过机上折轴卡塞格林焦点, 将主光学系统与白天成像系统相连, 实现了白天高分辨成像.该系统采用短波红外波段, 在精密跟踪的同时, 校正大气波前整体倾斜.近红外波段的双通道成像系统, 通过在焦与离焦像面同时采集后, 利用相位差异技术来提高成像分辨率.该系统探测能力达到5等星, 成像分辨率接近两倍衍射极限, 观测时间比自适应系统延长6 h.
车载式 光学望远镜 光学设计 成像分辨率 相位测量 Vehicular Optical telescopes Optical design Imaging resolution Phase measurement
