摘要 Qf@ha
G=KXA'R)1. 本文討論了基于太空太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡反射鏡單元的光學(xué)設(shè)計(jì)、雜散光和表面粗糙度的要求和光機(jī)設(shè)計(jì)。一些所需的性能參數(shù)和理論模擬已經(jīng)給出，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，滿(mǎn)足了預(yù)期的要求。 sN/8OLc A+"'8%o9} 1. 簡(jiǎn)介 KzZRFEA_
6dqI{T-i ? 這里呈現(xiàn)了ESA/NASA太陽(yáng)軌道任務(wù)望遠(yuǎn)鏡反射鏡單元的設(shè)計(jì)歷程。該任務(wù)致力于太陽(yáng)和日光層，并被選為ESA宇宙視覺(jué)2015-2025計(jì)劃的第一個(gè)中級(jí)任務(wù)。航天器將會(huì)攜帶各種科學(xué)裝備。加載在它們其中的一種成像遙感儀器是偏振和日震成像儀（PHI）。PHI儀器將會(huì)在可見(jiàn)光的范圍內(nèi)提供光球矢量磁場(chǎng)和視線(xiàn)速度的高分辨率和全盤(pán)測(cè)量。LOS線(xiàn)速度地圖將給出太陽(yáng)內(nèi)部詳細(xì)的日震調(diào)查，特別是太陽(yáng)對(duì)流區(qū)。通過(guò)靠近及從高緯度到35°的位置高分辨率研究太陽(yáng)，PHI將會(huì)處理和解決太陽(yáng)物理的基本問(wèn)題。它由兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡組成。離軸Ritchey-Chrétien（RC）高分辨率望遠(yuǎn)鏡（HRT）將會(huì)在距離近日點(diǎn)150km處的分辨率下形成太陽(yáng)圓盤(pán)的局部像。折射全盤(pán)望遠(yuǎn)鏡（FDT）可以在軌道的各個(gè)階段成像全部太陽(yáng)圓面。每個(gè)望遠(yuǎn)鏡在光路的前面都有自己的偏振調(diào)制包（PMP），來(lái)最小化偏振串?dāng)_效應(yīng)。在103信噪比水平上的偏振測(cè)定是PHI的基線(xiàn)。HRT和FDT會(huì)依次將光送入到Fabry-Perot過(guò)濾器系統(tǒng)（約100mÅ光譜分辨率）和一個(gè)2048×2048像素的CMOS傳感器上。太陽(yáng)日光層的圖像如圖1所示。在右邊中心可以看到一個(gè)太陽(yáng)黑子。此外，日面上的米粒清晰可辨，它們具有幾百到1000km的直徑。 rJC u6 7hKfxw-X@ 圖1.太陽(yáng)光球?qū)拥膱D像
Y\9zjewc 下面的模型理論意在反射鏡單元的設(shè)計(jì)。首先，如在FE分析中預(yù)測(cè)的一樣，創(chuàng)建一個(gè)樣機(jī)模型（QM）來(lái)檢驗(yàn)反射鏡的機(jī)械、熱學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。這包括比如在休息和操作期間超出預(yù)期負(fù)載的振動(dòng)測(cè)試，來(lái)證明設(shè)計(jì)的可靠性。這些測(cè)試成功完成后，兩個(gè)飛行模型已經(jīng)建好，可以預(yù)見(jiàn)，它們將會(huì)集成在飛行模型中又叫做PHI儀器飛行備用零件。 fRcy$ 4 :M}Vz- 本文的結(jié)構(gòu)如下。在接下來(lái)的部分中，呈現(xiàn)了望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)，為兩個(gè)反射鏡建立了波前預(yù)算，以確保在操作條件下所需的光學(xué)性能。第一個(gè)干涉測(cè)量顯示了幾乎完美的表面。反射鏡的表面粗糙度和它對(duì)光學(xué)成像的影響在第三章討論。隨后是反射鏡單元的光機(jī)設(shè)計(jì)的展示。這里呈現(xiàn)了有限元分析的一些結(jié)果，并與振動(dòng)測(cè)量的結(jié)果作比較。一個(gè)簡(jiǎn)要的總結(jié)概括了這方面做出的貢獻(xiàn)。 f;3k Yh^4 N9PEn[t@ 2.光學(xué)設(shè)計(jì)和性能 @`rC2-V
BvpUcICJ 本文的重點(diǎn)是PHI-HRT的光學(xué)和光機(jī)的設(shè)計(jì)。光學(xué)設(shè)計(jì)的草圖如圖2所示。望遠(yuǎn)鏡由一個(gè)主凹面和次凸面鏡組成。系統(tǒng)的入瞳直徑是140mm。主凹面是拋物線(xiàn)型，而次凸面是雙曲型。望遠(yuǎn)鏡的焦距是2475mm。儀器工作在617.3nm的Fe線(xiàn)上，譜寬是30nm。視場(chǎng)是尺寸為±0.14度的矩形。由于望遠(yuǎn)鏡沒(méi)有實(shí)際的中間焦點(diǎn)，進(jìn)入到入射光瞳的輻射能量需要通過(guò)一系列漸暈光闌停止下來(lái)。要求的分辨率大約為1弧秒，引起最大的總波前誤差為λ/25。這給光學(xué)和機(jī)械設(shè)計(jì)施加了極限的挑戰(zhàn)。為了評(píng)估制造以及熱學(xué)和結(jié)構(gòu)效應(yīng)對(duì)光學(xué)性能的影響，運(yùn)行了一個(gè)容差分析，這會(huì)產(chǎn)生望遠(yuǎn)鏡允許的偏心、軸向距離變化、傾斜和表面變形的限制。由于圍繞太陽(yáng)的預(yù)定橢圓軌道，望遠(yuǎn)鏡需要完全工作在-30°C（遠(yuǎn)日點(diǎn)）到+90°C（近日點(diǎn)）的溫度范圍內(nèi)。為了考慮所有的影響，兩個(gè)反射鏡單元的誤差預(yù)算已經(jīng)建立（見(jiàn)表1），誤差預(yù)算使用波前損耗的各種貢獻(xiàn)來(lái)評(píng)估，如溫度變化、裝配誤差、重力釋放和最重要的制造過(guò)程，比如光學(xué)表面從它的理想形狀到拋光相關(guān)的偏差。顯然，M1帶有重力釋放的總的預(yù)算略微超出規(guī)格（WFE<25nm）。然而，這里應(yīng)該指出，一方面我們已經(jīng)假定平面外重力（意味著水平安裝）最壞的情況為16nm。重力釋放更加現(xiàn)實(shí)的平面內(nèi)情況提供了只有2nm。另一方面，我們假定一個(gè)相當(dāng)保守的測(cè)量精度為10nm。把這個(gè)考慮進(jìn)去，總的預(yù)算很容易下降到25nmWFE需求以下。 2< uBC M4L<u,\1s 圖2.HRT望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)設(shè)計(jì) -N1X=4/fg
表1.波前誤差預(yù)算：M1（左手邊），M2（右手邊）
FN D+Ok& 圖3.M1基于CGH的NULL光學(xué)-干涉儀
_j\ 8u`^n 此外，通過(guò)NULL光學(xué)-干涉儀光學(xué)方法可以測(cè)量反射鏡表面，其中計(jì)算機(jī)生成的全息圖（CGH）用于將波前調(diào)整為非球面表面形狀。M1反射鏡的基本實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。對(duì)于M2，考慮其凸面表面，可以使用相似的裝置。經(jīng)過(guò)振動(dòng)測(cè)試（見(jiàn)章節(jié)4.1），M1-QM反射鏡的干涉圖如圖4所示。測(cè)得均方根（rms）波前誤差（WFE）是23.9nm。在中心處相當(dāng)尖銳的梯度位置是人字形-殷鋼底座的固定點(diǎn)。它看來(lái)在振動(dòng)測(cè)試期間發(fā)生了微小的環(huán)境效應(yīng)。通過(guò)之前執(zhí)行的正弦掃描和之后縱軸0dB隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試之間的微小差異可以部分證實(shí)這一現(xiàn)象。 xbZR/!?
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