摘要 $
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|H e,v/r 本文討論了基于太空太陽望遠(yuǎn)鏡反射鏡單元的光學(xué)設(shè)計、雜散光和表面粗糙度的要求和光機設(shè)計。一些所需的性能參數(shù)和理論模擬已經(jīng)給出，并通過實驗結(jié)果顯示，滿足了預(yù)期的要求。 4`@] jm |B&KT 1. 簡介 1aKYxjYM
Z&W|O>QTl 這里呈現(xiàn)了ESA/NASA太陽軌道任務(wù)望遠(yuǎn)鏡反射鏡單元的設(shè)計歷程。該任務(wù)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(wù)。航天器將會攜帶各種科學(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儀器將會在可見光的范圍內(nèi)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(nèi)部詳細(xì)的日震調(diào)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(yuǎn)鏡組成。離軸Ritchey-Chrétien（RC）高分辨率望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡（FDT）可以在軌道的各個階段成像全部太陽圓面。每個望遠(yuǎn)鏡在光路的前面都有自己的偏振調(diào)制包（PMP），來最小化偏振串?dāng)_效應(yīng)。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。 hQ&S*f&=' ,)mqd2)+" 圖1.太陽光球?qū)拥膱D像
"Y@rNm Bj 下面的模型理論意在反射鏡單元的設(shè)計。首先，如在FE分析中預(yù)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(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)載的振動測試，來證明設(shè)計的可靠性。這些測試成功完成后，兩個飛行模型已經(jīng)建好，可以預(yù)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。 ;=X6pK Wr h C
q6 本文的結(jié)構(gòu)如下。在接下來的部分中，呈現(xiàn)了望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)設(shè)計，為兩個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(xué)成像的影響在第三章討論。隨后是反射鏡單元的光機設(shè)計的展示。這里呈現(xiàn)了有限元分析的一些結(jié)果，并與振動測量的結(jié)果作比較。一個簡要的總結(jié)概括了這方面做出的貢獻(xiàn)。 eUvIO+av LO@.aJp p
2.光學(xué)設(shè)計和性能 !x oN%5 !
-o\$.Q3 本文的重點是PHI-HRT的光學(xué)和光機的設(shè)計。光學(xué)設(shè)計的草圖如圖2所示。望遠(yuǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)鏡沒有實際的中間焦點，進(jìn)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(xué)和機械設(shè)計施加了極限的挑戰(zhàn)。為了評估制造以及熱學(xué)和結(jié)構(gòu)效應(yīng)對光學(xué)性能的影響，運行了一個容差分析，這會產(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）到+90°C（近日點）的溫度范圍內(nèi)。為了考慮所有的影響，兩個反射鏡單元的誤差預(yù)算已經(jīng)建立（見表1），誤差預(yù)算使用波前損耗的各種貢獻(xiàn)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(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)實的平面內(nèi)情況提供了只有2nm。另一方面，我們假定一個相當(dāng)保守的測量精度為10nm。把這個考慮進(jìn)去，總的預(yù)算很容易下降到25nmWFE需求以下。 G v[W)+3f c;_GZ}8 圖2.HRT望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)設(shè)計 .J' 8d"+
表1.波前誤差預(yù)算：M1（左手邊），M2（右手邊）
GSg|Gz""J0 圖3.M1基于CGH的NULL光學(xué)-干涉儀
03?TT,y$ 此外，通過NULL光學(xué)-干涉儀光學(xué)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(diào)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(jīng)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(dāng)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(yīng)。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(xiàn)象。 \&\_[ y8U
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