文章來源： 3*$ A;%q C.V ")D= 58th ILMENAU SCIENTIFIC COLLOQUIUM vCT5do"C& Technische Universität Ilmenau, 08 – 12 September 2014 ghm5g/ URN: urn:nbn:de:gbv:ilm1-2014iwk:3 |ofegO}W7 v4!z B9d 摘要 Q[^I X
FX7=81**4 本文討論了基于太空太陽望遠鏡反射鏡單元的光學設計、雜散光和表面粗糙度的要求和光機設計。一些所需的性能參數和理論模擬已經給出，并通過實驗結果顯示，滿足了預期的要求。 b7g \wnV8z 7''l\3mIn 1. 簡介 9^h\vR|]S
Z<ozANbk 這里呈現了ESA/NASA太陽軌道任務望遠鏡反射鏡單元的設計歷程。該任務致力于太陽和日光層，并被選為ESA宇宙視覺2015-2025計劃的第一個中級任務。航天器將會攜帶各種科學裝備。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儀器將會在可見光的范圍內提供光球矢量磁場和視線速度的高分辨率和全盤測量。LOS線速度地圖將給出太陽內部詳細的日震調查，特別是太陽對流區(qū)。通過靠近及從高緯度到35°的位置高分辨率研究太陽，PHI將會處理和解決太陽物理的基本問題。它由兩個望遠鏡組成。離軸Ritchey-Chrétien（RC）高分辨率望遠鏡（HRT）將會在距離近日點150km處的分辨率下形成太陽圓盤的局部像。折射全盤望遠鏡（FDT）可以在軌道的各個階段成像全部太陽圓面。每個望遠鏡在光路的前面都有自己的偏振調制包（PMP），來最小化偏振串擾效應。在103信噪比水平上的偏振測定是PHI的基線。HRT和FDT會依次將光送入到Fabry-Perot過濾器系統(tǒng)（約100mÅ光譜分辨率）和一個2048×2048像素的CMOS傳感器上。太陽日光層的圖像如圖1所示。在右邊中心可以看到一個太陽黑子。此外，日面上的米粒清晰可辨，它們具有幾百到1000km的直徑。 9;s: Bo 9ctvy?53H 圖1.太陽光球層的圖像
'EJ8)2 下面的模型理論意在反射鏡單元的設計。首先，如在FE分析中預測的一樣，創(chuàng)建一個樣機模型（QM）來檢驗反射鏡的機械、熱學和光學性質。這包括比如在休息和操作期間超出預期負載的振動測試，來證明設計的可靠性。這些測試成功完成后，兩個飛行模型已經建好，可以預見，它們將會集成在飛行模型中又叫做PHI儀器飛行備用零件。 {4Y@ DQ- @\v, 本文的結構如下。在接下來的部分中，呈現了望遠鏡的光學設計，為兩個反射鏡建立了波前預算，以確保在操作條件下所需的光學性能。第一個干涉測量顯示了幾乎完美的表面。反射鏡的表面粗糙度和它對光學成像的影響在第三章討論。隨后是反射鏡單元的光機設計的展示。這里呈現了有限元分析的一些結果，并與振動測量的結果作比較。一個簡要的總結概括了這方面做出的貢獻。 k | Vq-w N-|E^XIV 2.光學設計和性能 ( &0%![j&
^RytBwzKM 本文的重點是PHI-HRT的光學和光機的設計。光學設計的草圖如圖2所示。望遠鏡由一個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。望遠鏡的焦距是2475mm。儀器工作在617.3nm的Fe線上，譜寬是30nm。視場是尺寸為±0.14度的矩形。由于望遠鏡沒有實際的中間焦點，進入到入射光瞳的輻射能量需要通過一系列漸暈光闌停止下來。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。這給光學和機械設計施加了極限的挑戰(zhàn)。為了評估制造以及熱學和結構效應對光學性能的影響，運行了一個容差分析，這會產生望遠鏡允許的偏心、軸向距離變化、傾斜和表面變形的限制。由于圍繞太陽的預定橢圓軌道，望遠鏡需要完全工作在-30°C（遠日點）到+90°C（近日點）的溫度范圍內。為了考慮所有的影響，兩個反射鏡單元的誤差預算已經建立（見表1），誤差預算使用波前損耗的各種貢獻來評估，如溫度變化、裝配誤差、重力釋放和最重要的制造過程，比如光學表面從它的理想形狀到拋光相關的偏差。顯然，M1帶有重力釋放的總的預算略微超出規(guī)格（WFE<25nm）。然而，這里應該指出，一方面我們已經假定平面外重力（意味著水平安裝）最壞的情況為16nm。重力釋放更加現實的平面內情況提供了只有2nm。另一方面，我們假定一個相當保守的測量精度為10nm。把這個考慮進去，總的預算很容易下降到25nmWFE需求以下。 ;>_\oZGj_ Gwxx W 圖2.HRT望遠鏡的光學設計 )%x oN<
表1.波前誤差預算：M1（左手邊），M2（右手邊）
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.] 圖3.M1基于CGH的NULL光學-干涉儀
j?%^N\9 此外，通過NULL光學-干涉儀光學方法可以測量反射鏡表面，其中計算機生成的全息圖（CGH）用于將波前調整為非球面表面形狀。M1反射鏡的基本實驗裝置如圖3所示。對于M2，考慮其凸面表面，可以使用相似的裝置。經過振動測試（見章節(jié)4.1），M1-QM反射鏡的干涉圖如圖4所示。測得均方根（rms）波前誤差（WFE）是23.9nm。在中心處相當尖銳的梯度位置是人字形-殷鋼底座的固定點。它看來在振動測試期間發(fā)生了微小的環(huán)境效應。通過之前執(zhí)行的正弦掃描和之后縱軸0dB隨機振動測試之間的微小差異可以部分證實這一現象。 <qN0Q7
Xn-GSW3{ <y=VDb/ 圖4.M1-QM的干涉圖
9K~2!< 可通過在制造和裝配過程進一步改善波前，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，可以分別實現優(yōu)良的均方根波前誤差值低至為17nm和19nm。因此，對于誤差預算（制造+振動）所建立的要求可以用一個舒適的余量來滿足。此外，在離子束成形（IBF）、熱循環(huán)和振動后，由于QM觀察的振動載荷導致的表面微小偏差，對于FM反射鏡可以避免，對于與干涉圖對立的M1反射鏡，恰好如圖7所示。波前誤差只是輕微的下降，要觀察的形狀沒有顯著的變化。 pDb5t>
gO%#'Eb2 1eQ 9(hzF 圖5.振動后M1-FM反射鏡的干涉圖和澤爾尼克系數
&=H{ 36i@ 圖6.振動后M2-FM反射鏡的干涉圖
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