倒立式三视场施密特望远镜关键技术研究
1 引言
施密特望远镜在天文观测等领域具有广泛应用,因此国内外学者对施密特望远镜的关键技术进行了深入研究。李德培将云南天文台的施密特望远镜改装成水平结构,用于观测人造卫星及空间碎片[1]。EGLITIS I 研究了直角坐标测定和测光方法,对巴尔顿天文台的施密特望远镜扫描仪进行了精度评估[2]。俞金梅将一种缩焦器应用在一台施密特卡塞格林式望远镜上,缩短了焦距,从而可以使用CCD相机来代替照相底片[3]。周志中采用2台步进电机取代复杂驱动系统,改进了北京天文台的施密特望远镜,实现了计算机控制[4]。WILLSTROP R V研究了具有3个反射面的Mersenne-Schmidt望远镜,采用了更为紧凑的设计,使得该望远镜有更大的相对口径和视场[5]。左恒等人为装卸LAMOST的子镜专门设计了大型自动机械装卸装置,实现了大跨度、高精度自动定位,在望远镜的维护中发挥了重要的作用[6]。董云芬等人推导了斜入射反射式施密特校正板方程,利用补偿器和干涉仪实现了面形的高精度检测,拓展了施密特望远镜在大视场、宽波段天文观测方面的研究[7]。雷存栋等人设计了离轴全反式施密特光学系统,可应用于宽波段、高分辨率紫外成像系统[8]。HRABOVSKY M研究了有、无施密特校正板情况下的施密特望远镜系统,分析了具有1m Rad缺陷的系统三维能量分布[9]。蒋兆基等人在北京天文台采用Thomson CCD进行BVRI四色测光,论证了BAO-CCD系统在施密特望远镜上测光的可行性[10]。
以上对施密特望远镜的研究,工作方式大多是指向不同天顶角进行观测,直接获取天体信息。随着航天领域需求不断扩大,施密特望远镜的应用得以扩展。例如,倒立式施密特系统的提出,为同时观测多天区天体、测量自身空间姿态信息提供了一种新的思路。借助于倒立式施密特望远镜特有的大视场、多天区观测优势,可以不断提高搭载平台的空间姿态测量精度,扩大其应用范围。例如,DANIELE M 提出了一种三视场Schmidt-Cassegrain结构星敏感器,能够实现对3个天区同时观测,从而反演出搭载平台的空间姿态信息[11]。WU Feng对多个视场(FOV)的姿态计算方法进行了研究,为附近的飞行器可提供准确的导航信息[12]。JOZEF C使用地球传感器数据确定旋转轴姿态技术,用于航天器姿态的控制[13]。还有学者聚焦于多视场星敏感器的工作模式,提升卫星的空间姿态测量精度[14-16]。
虽然倒立式三视场施密特望远镜已经有相应的科研成果,但更多关注的是在应用方面,对于其本身的关键技术研究较少。针对基于三分区镜的倒立式三视场施密特望远镜系统,本文研究了其中的关键技术。采用数学几何模型分解方法,对实现多天区观测功能的三分区镜设计方法进行了讨论;使用有限元法分析主镜重力形变,剖析其对光学系统像质的影响;利用光学设计软件对施密特修正镜加工误差进行仿真,进而探讨对像质的影响程度;应用蒙特卡罗法,研究了该系统的杂散光;最后,对望远镜光学系统进行了实验检测,验证了该倒立式施密特望远镜能够进行高精度成像。
1 基本原理
1.1 倒立式三视场施密特望远镜系统
本文研究的倒立式三视场施密特望远镜光路如
1.2 三分区镜设计方法
三分区镜是该望远镜系统的重要组成部件,为了实现三视场观测,需要对其进行研究和设计。三分区镜光学理论模型如
由3条光轴的对称性可知,该数学模型为正三棱锥。设入射光之间夹角为
在
由(1)式、(2)式可得到
类似地,作出角平分线
将(3)式代入(4)式,可得:
(5)式即是三视场视轴夹角与分区镜面夹角之间的代数关系式。
2 倒立式三视场施密特望远镜关键技术研究
2.1 主镜重力形变分析
望远镜主镜加工时镜面朝上,实际使用时镜面朝下,两者产生的重力形变不同,由此产生的面形差别是影响整个系统波像差的重要因素,因此,需要对主镜重力形变进行研究。主镜采用三点支撑[17-18],材料是微晶玻璃,口径为300 mm,内径为80 mm,球面曲率半径为1 151.63 mm,边缘厚度为35 mm。使用有限元分析软件构建三维模型,如
为求出合理的支撑半径,需要对不同支撑半径下的镜面形变进行研究。采用等间距划分方法,对不同支撑半径下镜面重力形变进行分析,最小支撑半径如
将面形的重力形变数据导入MATLAB软件,通过算法提取出前66项Zernike面形系数。使用光学设计软件建模,通过高斯拟合分析点扩散函数(PSF)的半高全宽(FWHM)[19],如
2.2 施密特修正镜的加工误差分析
施密特修正镜的加工精度将影响光学系统的成像质量,因此,需要对修正镜的加工误差进行研究。使用光学设计软件建立检测光路模型,分析检测光路关键参数导致的修正镜加工偏差,得到修正镜的误差范围。将修正镜的误差导入望远镜光学系统中,分析得到其对望远镜像质的影响。
施密特修正镜检测光路如
图 8. 施密特修正镜检测光路示意图
Fig. 8. Schematic diagram of detecting optical path of Schmidt corrector
表 1. 加入检测公差后修正镜的非球面系数
Table 1. Aspheric coefficients of corrector after adding tolerance
|
考虑到以上各种检测误差,当修正镜1取
2.3 杂散光分析
杂散光也会对望远镜成像质量有影响,需要对倒立式三视场施密特望远系统进行杂散光分析。本文通过TracePro软件建模,采用蒙特卡罗法对望远镜光学系统进行光线追迹[20],分析杂散光一次散射对像质的影响。遮光罩三维模型图如
望远镜的点源透过率(PST)曲线如
图 11. 不同离轴角下像面照度图
Fig. 11. Irradiation diagrams of image plane at different off-axis angles
3 实验研究
3.1 三分区镜研制结果
实际使用的3个视场视轴间的夹角为90°,代入式(5)可求得
3.2 倒立式施密特望远镜检测实验
实际研制了基于三分区镜的倒立式施密特望远镜,主镜口径为300 mm,望远镜高约1 920 mm,如
4 结论
本文主要研究了倒立式三视场施密特望远系统的光机关键技术。采用构建数学几何模型的方法对三分区镜的设计进行了研究,结果显示,当3个视场互相垂直时三分区镜面间夹角为133.08°,可用于多视场观测。利用有限元法对主镜重力形变进行了探究,分析了其对像质的影响,分析结果表明,主镜重力形变使得光学系统的FWHM增大了0.02 μm。针对施密特修正镜加工误差进行仿真分析,得出加工误差对系统像质影响最大时RMS=0.039 λ。使用蒙特卡罗法对系统杂散光进行探讨,由系统PST图可知杂散光不影响光学系统的高精度成像。对整个望远镜系统进行实验检测,得到PV = 0.614λ,RMS = 0.105 λ。该研究为倒立式多视场施密特望远系统光机关键技术提供了技术支撑,拓展了施密特望远镜的应用范围。
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赖新华, 李金鹏, 彭润富, 杨永兴, 王鑫蕊, 石旺舟. 倒立式三视场施密特望远镜关键技术研究[J]. 应用光学, 2023, 44(6): 1286. Xinhua LAI, Jinpeng LI, Runfu PENG, Yongxing YANG, Xinrui WANG, Wangzhou SHI. Research on key technologies of inverted 3-FOV Schmidt telescope[J]. Journal of Applied Optics, 2023, 44(6): 1286.