主动光学─新一代大望远镜的关键技术

对主动光学技术在现代天文光学望远镜中的作用和工作原理作了较全面的介绍和评论。结合作者近十年的工作对薄镜面主动光学技术和拼接镜面主动光学技术的各个关键部分,如波前检测、波前拟合、校正力的确定、共焦和共面的检测作了较详细且深入的讨论和评述．也介绍了我国目前正在研制的同时采用薄镜面主动光学和拼接镜面主动光学技术的大天区面积多目标光纤光谱望远镜的主动光学系统。     

基于Keck方法的大型拼接镜面共面方法的研究

LAMOST是我国也是世界上唯一的同时应用薄镜面主动光学和拼接镜面主动光学的望远镜,但望远镜目前的设计要求还只是共焦,还没有很好地开展共面技术的研究和应用.Keck望远镜的共相方法已经得到了成功的应用.在红外波段得到了10m镜的衍射像.参照Keck的算法,开发了一套用于检测拼接子镜前后有一定平移误差时的模拟软件,在LAMOST及以后各大型望远镜的拼接镜面实验装置上应用.结果表明,这个方法是现实可行的.     

基于四棱锥传感器的波前检测仿真设计

波前检测是天文望远镜自适应光学中的重要环节。四棱锥作为一种新型的波前检测元件,与其他传统的波前传感器相比,具有较高的灵敏度。特别是对于光干涉或拼接镜面望远镜而言,四棱锥波前传感器能够被用来检测子望远镜或子镜面之间的相对光程差,从而为干涉(或共相)的实现提供有效的检测信号。在分析四棱锥波前检测原理的基础上,阐述了单孔径条件下波前倾斜检测及双孔径干涉条件下相对光程差检测的软件仿真设计和阶段性成果,并简述了下一阶段的研究计划。     

基于遗传算法的相位差法波前检测piston误差

光学综合孔径望远镜常常因为子望远镜间的失调大于1λ产生相位差,影响望远镜的分辨能力。基于相位差法的检测技术,可以检测出子望远镜间的微小失调误差。提出了相位差波前检测方法与遗传算法相结合,设计了一个相位差波前传感器,进行综合孔径望远系统的piston误差检测。在计算机模拟成像系统的基础上,仿真结果证明,基于遗传算法的相位差波前检测方法可以较准确地恢复波前相位,检测piston误差。     

挑战技术极限——天文学中的主动光学

二十世纪后半叶,光学天文较之过去有了重大的革新。主动光学与自适应光学就是其中的代表.现在,越来越多新建的望远镜都采用了上述两种技术,并且,一些已经建成的望远镜也进行了这方面的改造。无论是主动光学还是自适应光学,其最终目的都是为了使望远镜达到更高的空间分辨率,也就是让观测到的星像更好。但是,主动光学技术和自适应光学技术无论从工作原理还是使用范围,以及技术要求上都有很大区别。我们将陆续介绍这两种既有很多相似点又有差异的新技术。     

LAMOST望远镜控制系统

给出LAMOST望远镜控制系统中总控部分的初步设计。对于主动光学试验中模拟系统机架方位驱动的试验情况也作了介绍。     

基于相位差法的光学综合孔径望远镜失调检测技术

光学综合孔径望远镜常常因为子望远镜间的失调大于1λ而产生相位差,影响望远镜的分辨能力.基于相位差法的检测技术,主要是利用在焦面和离焦位置上同时采集的一对图像,对光瞳上的相位分布进行恢复,从而得出子望远镜间的微小失调误差.在计算机模拟成像系统的基础上,我们使用有限差分法对波前相位进行了恢复.模拟研究结果表明,相位差法可以较准确恢复出波前相位,检测出失调量.     

基于扇形子镜的12m光学红外望远镜拼接共相误差仿真分析

为满足国内对应用大型通用光学望远镜在光学红外波段进行天文观测的需求, 中国计划建设一架12 m大口径光学红外望远镜(12-meter large aperture optical-infrared telescope, LOT). LOT对于中国天文界具有极其重要的意义, 将会在近红外波段实现共相. LOT的主镜将采用子镜拼接的方案, 由72块扇形子镜拼接而成, 并且中央部分有一块直径4.5m的圆形镜. 分析了采用扇形子镜拼接方案下LOT的共相误差, 提供了详细的共相误差理论推导过程, 并对包括3种子镜面外误差在内的误差源进行深入的单独模拟和综合模拟. 在共相波长为1μm的条件下, 当服从正态分布的倾斜误差的均方根值小于0.016^\prime\prime或服从正态分布的活塞误差的均方根值小于42.5nm时, LOT的斯特列尔比大于0.8. 仿真结果对于采用共相拼接镜面主动光学的主镜在LOT中的应用具有重要意义.     

应用自适应光学望远镜所取得的天文观测成果

自适应光学技术已经成为现代地基天文光学望远镜的重要部分。在世界各地的天文台中 ,许多大型光学望远镜的自适应光学系统正在建造 ,不少的系统已经投入使用。自适应光学技术经过二十多年的发展 ,取得了越来越多的令人激动的天文观测成果 ,自适应光学正在接近成熟并正向天文实际应用的阶段转化。本文根据近几年来自适应光学望远镜在天文中的应用 ,对其所取得的天文成果给予介绍 ,并讨论了自适应光学系统所能开展的天文研究课题。     

光学天文望远镜用微位移驱动器机构研究综述

该文回顾光学天文望远镜拼接镜面主动光学技术中的微位移驱动器的应用,介绍了微位移驱动器的工作原理、机械结构以及性能要求.概述了微位移驱动器的基本组成机构,并结合目前应用于天文望远镜的具体实例,比较了其优缺点.最后针对未来极大口径天文望远镜中的应用要求,对微位移驱动器的发展趋势提出展望.     

拼接镜面主动光学电控系统的研究

介绍拼接镜面主动光学计算机控制的设计思想和研制的方法。计算机通过接口控制6套微位移促动器实现了同步工作;控制维持三块子镜的共焦和共面;采用6套电容式的微位置传感器来检测共面的位置,作为计算机闭环控制的反馈信号。位移促动器的控制分辨率为5nm左右。系统控制的位置误差rms值小于25nm。     

应用自适应光学望远镜所取得的天文观测成果

自适应光学技术已经成为现代地基天文学学肓远镜的重要部分。在世界各地的天文台中,许多大型光学望远镜的自适应光学系统正在建造,不少的系统已经投入使用。自适应光学技术经过二十多年的发展,取得了越来越多的令人激动的天文观测成果,自适应光学正在接近成熟并正向天文实际应用的阶段转化。本文根据近几年来自适应光学望远镜在天文中的应用,对其所取得的天文成果给予介绍,并讨论了自适应光学系统所能开展的天文研究课题。     

光学／红外望远镜和技术的进展

天文望远镜和技术在20世纪末取得了空前的辉煌成就,并将取得更辉煌的成就(1)大型望远镜的研制口径10m的两架Keck望远镜已分别在1994年和1996年投入工作.ESOVLT四架8m望远镜中的第一架已在1998年Firstlight,最后一架也将在今年内Firstlight.两架Gemini8m中的一架和一架Subaru8m望远镜都已完成.HET9m望远镜正在最后调试.由两个8m望远镜组成的LBT将于2004年完成,一架10m(复制的Keck)和一架9m(复制的HET)望远镜正在研制中.这些望远镜已配备或将配备先进的光学、红外CCD照相机和光谱仪,如Keck的NIRSPEC、VLT的FORS、ISAAC等.巡天计划中SDSS、2dF、2MASS和DENIS仪器已完成,都已投入观测.LAMOST正在积极研制中,VISTA即将开始研制.现在CalTech等已开始研制口径30m的极大望远镜(ELT),ESO和NOAO已开始了口径100m望远镜的预研,中国和英国也提出了很好的ELT方案.(2)探测器的改进当前CCD的量子效率QE蓝片已达70%～80%,红片已达90%,已投入使用的最大的拼接的CCD为12k×8k,几个8k×8k的CCD已用在望远镜上.当前20k×18k的拼接的CCD正在研制中.天文观测上CCD已取代了照相机底片.红外波段HgCdTe1k×1k的CCD已投入工作,2k×2k的正在研制中.(3)光干涉系统的进展多个光干涉系统已投入观测并取得了一系列天文成果,如GI2T,COAST、IOTA,NPOI,PTI、ISI、SUSI、MIRA;一些光干涉系统正在发展中,如CHARA、MRO、LBT;特别是两架Keck望远镜、四架VLT都配以一些较小的望远镜组成巨大的干涉阵,前者最长基线140m,后者200m,将在今后的数年内完成并投入观测.(4)自适应光学系统的应用许多3～4m级的望远镜已配置或正在研制相应的自适应光学系统,红外和可见光波段的衍射极限的像已在3～4m级的望远镜上获得,Keck和ESO都正在发展用于10m和8m望远镜的自适应光学系统.正在研制和预研中的30m到100m口径的望远镜也都配有自适应光学和光干涉系统.注本报告以McleanIS等执笔的IAUCommission9三年进展报告(见ReportsonAstronomy1996～1999,IAUTransaction,Vol.24A,p.316～327)为蓝本,补充扩大而成.     

φ85厘米望远镜镜筒的机械设计

一架望远镜的质量不仅取决于其光学零件的质量，同时不取于整个机械结构的优劣。因此，机械设计在望远镜制造中占有极其翻天覆地的地位，对于一架现有望远镜的改装，机械设计的难度更大。本文介绍用于改 装双筒望远镜的φ85厘米反射望远镜镜筒的设计和结构分析。由于EM－1赤道的承载能力有限，镜筒设计中如何重量成为设计的关键问题。为此，镜筒的主要部位，诸如筒体和主镜室等均作过力学分析，选择其中最佳的方案。该镜筒将作为一个完整的镜筒安装在EM－1装置上，它主要用于光电测光工作，也可以作光谱工作。     

超轻量镜面系统的研制

空间望远镜的研制一直要求系统的轻量化,美国宇航局（NASA）最近研制的韦伯太空望远镜,其主镜系统面密度相对于哈勃空间望远镜已大幅减轻。在韦伯望远镜主镜系统的研制过程中,NASA开展了一系列关于超轻量镜面系统的验证计划,多家机构拿出多个方案参与竞标。本文选取几个比较典型的方案,介绍这些镜面系统的设计思想、结构、材料、加工以及相关测试结果,期望能对国内相关方面的工作提供参考。     

天文高分辨像复原技术检测地基天文光学望远镜成像质量

在天文高分辨像复原技术的基础上，根据谱比法较准确地测量视宁度参数r0后，计算得到大气系统的平均短曝光传递函数，从而把大气湍流对检测结果的影响从综合成像系统中分离了出来。利用望远镜摄取大量目标源的短曝光像(斑点图)作为原始数据，通过分析这些含有望远镜衍射极限分辨率信息的斑点图，实现天文光学望远镜系统点扩展函数(PSF)中低频信息的重建，得到半峰全宽(FWHM)和80％的能量集中度(EE)。     

大型拼接镜面望远镜子镜装卸装置的研究

自从400 yr前伽利略第1次使用望远镜观测天空以来,人类为了探索更深的宇宙,望远镜的口径越做越大,拼接镜面望远镜成为趋势.本世纪初一批大口径拼接望远镜先后被研制出来,这其中包括我国的大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜LAMOST.随着望远镜口径增大,子镜单元增多,子镜单元的装卸问题日益突出.本文试图对这一问题进行探讨,设计了一套用于LAMOST球面主镜的子镜单元装卸装置,希望为大口径望远镜的子镜装卸提供一些思路和借鉴.     

基于CAN总线的主动光学镜面位姿驱动系统研究

为先进地基太阳望远镜(Advanced Ground-based Solar Telescope,AST-G)主镜支撑系统预研,设计了一套基于控制器局域网络(Controller Area Network,CAN)总线通信的主动光学镜面位姿调整驱动系统.首先,面向一个主动支撑样机实验平台,开展镜面运动学理论分析及位姿解...     

拼接镜面主动控制系统的定标

对拼接主镜进行主动控制是拼接镜技术的难点之一,8 m环形拼接太阳望远镜主动光学的控制性能主要取决于倾斜探测的精度与控制模型建立的准确程度。在研制主动控制系统时,需要对倾斜探测精度定标以及建立较为准确的控制模型,即对主动控制系统定标。实验系统中搭建了用于实时探测拼接子镜倾斜的夏克-哈特曼波前传感器,并对其重复测量精度进行了定标,精度达到0.014 arcsec,接近8 m环形太阳望远镜面形控制的要求。然后利用边缘传感器和夏克-哈特曼波前传感器测量了两镜主动控制系统的控制矩阵,建立较为准确的控制模型。     

机场远距离目标望远镜监控系统的初步设计

望远镜监控系统可以用来监控诸如机场上空的鸟群、低空云层以及跑道和停机坪上的异常物体等机场远距离目标。整个系统的设计分为光学与机械、望远镜控制、以及监控成像与图像处理三个子系统。在光学与机械部分，着重论述望远镜的光学特性和电机驱动方式下的机械结构改进；在望远镜控制部分，分析了控制电机的选择、单片机的控制方式、以及计算机控制软件的功能设计；最后概述了监控成像与图像处理部分的初步实现方式。