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1. 簡(jiǎn)介 ?m)<kY  
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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)和視線速度的高分辨率和全盤測(cè)量。LOS線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)圓盤的局部像。折射全盤望遠(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。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。 x;vfmgty  
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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。 ".}R$W  
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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)。 8
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2.光學(xué)設(shè)計(jì)和性能 W|<c[S  
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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。 'n|U   
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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。 u7e$Mq  
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可通過(guò)在制造和裝配過(guò)程進(jìn)一步改善波前，如插入和反射鏡錐體的共同研磨，反射鏡的性能可以得到極大的提高。FM的干涉圖描繪在圖5（M1）和圖6（M2）中。顯然，可以分別實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的均方根波前誤差值低至為17nm和19nm。因此，對(duì)于誤差預(yù)算（制造+振動(dòng)）所建立的要求可以用一個(gè)舒適的余量來(lái)滿足。此外，在離子束成形（IBF）、熱循環(huán)和振動(dòng)后，由于QM觀察的振動(dòng)載荷導(dǎo)致的表面微小偏差，對(duì)于FM反射鏡可以避免，對(duì)于與干涉圖對(duì)立的M1反射鏡，恰好如圖7所示。波前誤差只是輕微的下降，要觀察的形狀沒(méi)有顯著的變化。  S.MRL,  
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然后，將測(cè)量數(shù)據(jù)（整數(shù)格式）導(dǎo)入到光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中，并且運(yùn)行性能分析。用這種方法，可以證實(shí)如果調(diào)整合適，完成的望遠(yuǎn)鏡能夠滿足Strehl > 0.8的要求。另外，“完成”的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)對(duì)高質(zhì)量的反射鏡的衍射MTF’s模擬如下所示（圖8，左）。作為比較，也為一個(gè)在早期拋光不合格的次反射鏡的系統(tǒng)模擬了MTF’s，該系統(tǒng)在靠近邊緣處顯示出嚴(yán)重的波前擾動(dòng)（圖8，右），寬帶-均方根（MSF）大約為7nm（見(jiàn)章節(jié)3）。當(dāng)高質(zhì)量系統(tǒng)的MSF下降到大約1%時(shí)，退化的系統(tǒng)顯示大約5%，這恰好證實(shí)了圖9的估計(jì)。由于與真實(shí)的待觀察對(duì)象（見(jiàn)圖1）已經(jīng)很低的對(duì)比，這是不可接受的。請(qǐng)注意，截止頻率準(zhǔn)確的計(jì)算為。 a8xvK;`  
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3. 表面粗糙度 Oti;wf G7o  
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對(duì)于反射光學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，表面粗糙度尤為重要，因?yàn)樗�直接轉(zhuǎn)化為雜散光光斑[1]。在PHI儀器的HRT部分中，雜散光有許多貢獻(xiàn)者。使用功率譜密度（PSD）可以讓表面粗糙度得到最好的討論。球體的光學(xué)制造技術(shù)具有部分刀具幾何形狀，可以產(chǎn)生長(zhǎng)尺度長(zhǎng)度的表面抖動(dòng)，稱之為形狀誤差。同樣，表面斷裂力學(xué)可以導(dǎo)致短的空間尺度長(zhǎng)度的抖動(dòng)，稱之為微粗糙和散射。因此，通常只有兩個(gè)數(shù)字被指定：依據(jù)Nijboer Zernike多項(xiàng)式或形狀偏差，和用均方根粗糙度給出的表面粗糙度。形狀誤差已經(jīng)在先前的章節(jié)討論過(guò)。表面（高頻）粗糙度通常用顯微干涉測(cè)量?jī)x器（見(jiàn)下文）。 ~ZafTCa;  
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此外，HRT反射鏡表面是高階非球面的。使用現(xiàn)代鉆石單轉(zhuǎn)和拋光技術(shù)納米級(jí)精度進(jìn)行加工。最后的拋光步驟通常使用離子束成形技術(shù)完成。因此，它們?nèi)菀滓�起殘留的周期性表面起伏，通常被稱為波紋或者中空間頻率（MSF）誤差。這些誤差可能會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)大的對(duì)比度惡化，尤其是對(duì)于像太陽(yáng)一樣的擴(kuò)展物體的觀察，這些特性是特別有害的。因此，需要另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)指定這些表面MSF’s對(duì)成像質(zhì)量的影響。由于MSF粗糙度σ導(dǎo)致的對(duì)比度下降可以通過(guò)來(lái)估計(jì)，其中σ是均方根粗糙度[2]。這種特性如圖9所示。因此，對(duì)于反射鏡表面，允許的0.5%的對(duì)比度下降會(huì)引入2…2.5nm的MSF粗糙度。另外，高空間頻率粗糙度適用于微干涉儀范圍，即對(duì)于0.4/nm到20/mm（2.5倍放大率）粗糙度小于1.5nm，5/mm到500/mm(40倍)，粗糙度小于0.8nm。兩個(gè)放大范圍的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)收集，產(chǎn)生的PSD曲線如圖10所示（藍(lán)和紅）。然后，在上面使用Harvey-Shack BSDF（雙向散射分布函數(shù)）進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合[1,3]，最后的參數(shù)為b0=80，S=-2.8以及L=0.001（綠色）。 (^yaAy#4  
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接下來(lái)，使用Photon Engineering 公司的FRED模擬器[4]來(lái)運(yùn)行光學(xué)系統(tǒng)的雜散光仿真。在這里，額外的假設(shè)需要包含在仿真中。舉例來(lái)說(shuō)，機(jī)械零件如配件或光闌需要模擬為黑朗伯散射體，這意味著入射光在所有方向散射均勻，具有大大降低5%到10%的反射率。FRED提供了一個(gè)預(yù)定義的元件用于這個(gè)目的，稱為黑朗伯體（Black Lambertian）。此外，通過(guò)一個(gè)等價(jià)的表面粗糙度（顆粒效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)轭~外的均方根表面粗糙度）來(lái)模擬污染顆粒。根據(jù)ESA清潔度規(guī)格，微粒子污染潔凈度水平CL350等價(jià)于500ppm，這需要反射鏡表面滿足此要求。同樣，內(nèi)場(chǎng)雜散光和外場(chǎng)雜散光都被模擬了。總之，仿真產(chǎn)生約0.1%的內(nèi)視場(chǎng)雜散光、0.01%的外視場(chǎng)雜散光、由顆粒散射導(dǎo)致的0.16%和有劃痕和坑導(dǎo)致的0.2%的雜散光。總計(jì)這些結(jié)果約為0.5%，滿足了低于1%總散射的需求。拋光反射鏡的微粗糙度通過(guò)微干涉儀檢查。最后，用兩種放大倍數(shù)2.5x和40x研究了4個(gè)不同的區(qū)域。與規(guī)格一致，兩個(gè)反射鏡都可以實(shí)現(xiàn)低于2nm的均方根值。M1的一個(gè)例子如圖11所示。 4j3q69TZR  
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