D#(Pg 1. 简介 @y%qQe/g A}}t86T 这里呈现了ESA/NASA太阳轨道任务
望远镜反射镜单元的设计历程。该任务致力于太阳和日光层,并被选为ESA宇宙视觉2015-2025计划的第一个中级任务。航天器将会携带各种科学装备。加载在它们其中的一种
成像遥感仪器是偏振和日震成像仪(PHI)。PHI仪器将会在可见光的范围内提供光球矢量磁场和视线速度的高分辨率和全盘测量。LOS线速度地图将给出太阳内部详细的日震调查,特别是太阳对流区。通过靠近及从高纬度到35°的位置高分辨率研究太阳,PHI将会处理和解决太阳物理的基本问题。它由两个望远镜组成。离轴Ritchey-Chrétien(RC)高分辨率望远镜(HRT)将会在距离近日点150km处的分辨率下形成太阳圆盘的局部像。折射全盘望远镜(FDT)可以在轨道的各个阶段成像全部太阳圆面。每个望远镜在光路的前面都有自己的偏振调制包(PMP),来最小化偏振串扰效应。在103信噪比水平上的偏振测定是PHI的基线。HRT和FDT会依次将光送入到Fabry-Perot过滤器系统(约100mÅ光谱分辨率)和一个2048×2048像素的CMOS传感器上。太阳日光层的图像如图1所示。在右边中心可以看到一个太阳黑子。此外,日面上的米粒清晰可辨,它们具有几百到1000km的直径。
|-?b)yuAz 图1.太阳光球层的图像
6/C Z.19v>-c 下面的模型理论意在反射镜单元的设计。首先,如在FE分析中预测的一样,创建一个样机模型(QM)来检验反射镜的机械、热学和
光学性质。这包括比如在休息和操作期间超出预期负载的振动测试,来证明设计的可靠性。这些测试成功完成后,两个飞行模型已经建好,可以预见,它们将会集成在飞行模型中又叫做PHI仪器飞行备用零件。
P=i |{vv( JIkmtZv 本文的结构如下。在接下来的部分中,呈现了望远镜的
光学设计,为两个反射镜建立了波前预算,以确保在操作条件下所需的光学性能。第一个干涉测量显示了几乎完美的表面。反射镜的表面粗糙度和它对光学成像的影响在第三章讨论。随后是反射镜单元的光机设计的展示。这里呈现了有限元分析的一些结果,并与振动测量的结果作比较。一个简要的总结概括了这方面做出的贡献。
G4]`` xpo}YF'5 2.光学设计和性能 ^E8Hv RozsRt;i 本文的重点是PHI-HRT的光学和光机的设计。光学设计的草图如图2所示。望远镜由一个主凹面和次凸面镜组成。系统的入瞳直径是140mm。主凹面是抛物线型,而次凸面是双曲型。望远镜的焦距是2475mm。仪器工作在617.3nm的Fe线上,谱宽是30nm。视场是尺寸为±0.14度的矩形。由于望远镜没有实际的中间焦点,进入到入射光瞳的辐射能量需要通过一系列渐晕光阑停止下来。要求的分辨率大约为1弧秒,引起最大的总波前误差为λ/25。这给光学和机械设计施加了极限的挑战。为了评估制造以及热学和结构效应对光学性能的影响,运行了一个容差分析,这会产生望远镜允许的偏心、轴向距离变化、倾斜和表面变形的限制。由于围绕太阳的预定椭圆轨道,望远镜需要完全工作在-30°C(远日点)到+90°C(近日点)的温度范围内。为了考虑所有的影响,两个反射镜单元的误差预算已经建立(见表1),误差预算使用波前损耗的各种贡献来评估,如温度变化、装配误差、重力释放和最重要的制造过程,比如光学表面从它的理想形状到抛光相关的偏差。显然,M1带有重力释放的总的预算略微超出规格(WFE<25nm)。然而,这里应该指出,一方面我们已经假定平面外重力(意味着水平安装)最坏的情况为16nm。重力释放更加现实的平面内情况提供了只有2nm。另一方面,我们假定一个相当保守的测量精度为10nm。把这个考虑进去,总的预算很容易下降到25nmWFE需求以下。
hkm3\wg 图2.HRT望远镜的光学设计 z(a:fL{/XG
表1.波前误差预算:M1(左手边),M2(右手边)
Kn]WXc|(" 图3.M1基于CGH的NULL光学-干涉仪
5rhdm?Ls0 eS+LFS7*k 此外,通过NULL光学-干涉仪光学方法可以测量反射镜表面,其中计算机生成的全息图(CGH)用于将波前调整为非球面表面形状。M1反射镜的基本实验装置如图3所示。对于M2,考虑其凸面表面,可以使用相似的装置。经过振动测试(见章节4.1),M1-QM反射镜的干涉图如图4所示。测得均方根(rms)波前误差(WFE)是23.9nm。在中心处相当尖锐的梯度位置是人字形-殷钢底座的固定点。它看来在振动测试期间发生了微小的环境效应。通过之前执行的正弦扫描和之后纵轴0dB随机振动测试之间的微小差异可以部分证实这一现象。
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