1 中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所，南京 210042
2 中国科学院天文光学技术重点实验室，南京 210042
3 中国科学院大学，北京 100049
为实现各类暂现源及暗弱目标的宽波段、高效率光谱后随观测，以1.9 m光学望远镜为例，设计了一种基于Faint Object Spectrograph and Camera型的双通道中低色散光谱仪，可实现三种光谱分辨率（R=500、2 000和5 500），工作波段覆盖紫外-近红外（310~1 000 nm）。根据光栅方程和光谱分辨率等各项指标，确定光谱仪的初始结构参数，针对光谱仪在全波段的高效率需求以及仪器随动的包络限制，确定光学系统采用双通道设计并近似对称分布：准直系统采用了不同于传统Faint Object Spectrograph and Camera型光谱仪的折反射式系统，在提高了系统效率的同时压缩了空间。色散系统根据直视棱栅的不同工艺，通过棱镜材料和角度的调整对工作波段的光栅效率进行优化并得到8种棱栅参数；红蓝通道相机系统在设计过程中优化选取光学材料，同时结合二次非球面和单透镜的主动调焦补偿，实现大动态温度范围（-30 ℃~20 ℃）全视场（φ16°）最大弥散斑半径均方根小于5 的优良像质。该系统结构紧凑、分布对称，设计结果满足各项指标，光谱仪全波段峰值效率优于60%，最低效率优于20%，具有较高的可实现性。基于曲面芯片工艺，以红通道为例，简化的相机系统至少可提高整体光谱效率约4%，可以为未来光谱仪相机系统的设计提供参考。
棱栅 天文光谱仪 中低色散 体位相全息光栅 曲面探测器 紫外 Grism Astronomical spectrograph Medium-Low dispersion Volume phase holographic grating Curved detector Ultraviolet
1 中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所天文光谱和高分辨成像技术研究室，江苏 南京 210042
2 中国科学院大学天文与空间科学学院，北京 100049
针对透明光学元件特征不明显以及机器视觉难以进行大视场、高精度尺寸测量的问题，提出一种基于亚像素图像拼接的视觉测量方案。该方案对相机坐标系与世界坐标系间的旋转角进行标定，获得精确的尺度因子与图像预匹配结果；图像坐标系旋转角校正后小于；通过添加网格背景实现透明元件特征匹配。所提基于滑动窗口预匹配、随机采样一致性筛选最佳偏移向量的配准算法，使图像拼接精度达到0.05 pixel，较已有研究明显提升。将该方案应用于透明光学元件视觉检测系统中，在移动精度仅为0.02 mm的条件下，获得了平均误差为0.12 pixel的图像拼接结果，实现了透明光学元件的大视场、高精度尺寸测量。
机器视觉 视觉检测 透明光学元件 校正 亚像素 图像拼接 随机采样一致性 激光与光电子学进展
2023, 60(6): 0615004
红外与激光工程
2022, 51(12): 20220238
1 中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所，南京 210042
2 中国科学院天文光学技术重点实验室（南京天文光学技术研究所），南京 210042
3 中国科学院大学，北京 100049
以K镜消旋系统为例，针对光机结构中多误差源耦合和误差分配的问题，采用蒙特卡洛算法进行误差分解，并提出了类粒子群优化算法，对误差源进行智能误差分配，以指导工程化的加工公差分配和结构优化极限。首先，对一套悬臂式K镜消旋系统的光机结构引起的消旋指向精度进行误差来源分析；然后，通过蒙特卡洛算法结合粒子群优化方法对误差源进行智能分配，指导K镜关键零部件的优化设计和公差分配；最后，分别利用光机耦合仿真分析法和实验装调法对设计的K镜消旋系统进行消旋指向精度分析。结果显示，仿真分析获得消旋指向精度为，实验装调最优消旋指向精度为，验证了光机结构设计方案及其误差分配方案的可行性。
误差分配 光机结构 消旋系统 耦合分析 蒙特卡洛 类粒子群优化 K镜 Error allocation Optical-mechanical structure Racemization system Coupling analysis Monate Carlo Particle swarm optimization K-mirror
1 中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所, 江苏 南京 210042
2 南京天文光学技术研究所中国科学院天文光学技术重点实验室, 江苏 南京 210042
3 中国科学院大学, 北京100049
大型光机仪器难以在短期内实现加工,为了验证仪器设计的正确性,利用相似模型试验替代原型研究。基于相似定理,推导了三十米望远镜(TMT)宽视场光谱仪准直镜系统原型和缩尺模型之间的相似关系;建立了准直镜系统原型的有限元模型及1∶3缩尺模型的有限元模型,对二者进行了模态分析和面形分析,并对缩尺模型实物进行了相似模型试验和分析。研究结果表明,在1∶3的缩尺比例下,准直镜系统缩尺模型与原型的振型相似性符合理论分析结果;在工作环境下,缩尺模型的表面波前误差的均方根值为0.065λ(λ为波长)。模型试验结果证明准直镜系统的缩尺模型满足光学系统的工作要求。利用缩尺模型能够预测原型动态响应及面形变化,为后续项目的正式研究提供技术积累。
激光与光电子学进展
2021, 58(14): 1412005
1 中国科学院国家天文台 南京天文光学技术研究所，江苏 南京 210042
2 中国科学院天文光学技术重点实验室(南京天文光学技术研究所)，江苏 南京 210042
3 中国科学院大学，北京 100049
针对极大望远镜矩形准直镜设计了一种新型柔性支撑系统，即由6根空心圆柱杆为支撑主体的侧面支撑结构。利用多目标优化算法对柔性支撑系统的结构参数和位置参数进行优化设计，并对优化后的柔性支撑系统进行稳定性研究。优化后的准直镜柔性支撑系统在自重条件下镜面最大PV值为168.23 nm，RMS值为30.306 nm，质量为229.21 kg，满足设计要求。当环境温度变化范围在20 ℃～23.7 ℃内，不会对准直镜性能产生影响；此外，地面随机振动不会影响准直镜工作性能和破坏支撑结构。研究结果表明：准直镜柔性支撑机构的多目标优化设计全面考虑了准直镜柔性机构形状参数、机构安全可靠性和光学面形形变等多学科之间耦合问题，设计者可按需选择全局范围内最满意的最优解，这将大幅度降低开发成本和周期。
矩形反射镜 侧面支撑 柔性铰链 多目标优化 rectangular reflector side support flexible hinge multi-objective optimization
1 中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所, 江苏 南京 210042
2 中国科学院天文光学技术重点实验室, 江苏 南京 210042
3 中国科学院大学, 北京 100049
建立了基于边界限制的宽波段高效率多通道光谱仪快速设计的分析模型,讨论了多通道光谱仪的性能要求、初始结构参数、项目成本、风险之间的相互关系。该模型能够根据给定的系统指标快速计算出多通道光谱仪各子系统的结构参数,能在项目初期对方案的可行性和项目预算给出合理的评估。以4 m级望远镜为平台,设计了基于体位全息光栅的多通道光谱仪,光谱范围为350~1000 nm,每个通道在闪耀波长处的分辨率为5000,光谱仪本体峰值效率大于53%,全工作波段单色像质能量集中度在80%处优于15 μm,满足系统的性能要求。
光学设计 光谱仪 体位全息光栅 极大望远镜
1 中国科学院 国家天文台南京天文光学技术研究所, 江苏 南京210042
2 中国科学院 天文光学技术重点实验室, 江苏 南京210042
3 中国科学院大学, 北京100049
在极大望远镜宽视场光谱仪准直镜结构轻量化研究中, 实施多学科多目标优化的可行性设计。通过多目标遗传算法结合多学科协同对准直镜轻量化结构进行优化设计, 即以镜面形状要素为优化参数、镜面面型和质量为目标, 并借助遗传算法为优化算法获取Pareto最优解。对比研究了不同轻量化孔轻量化后综合性能和轻量化后准直镜的热稳定性, 三角型轻量化后准直镜轻量化率为70%, PV值为82.696 nm; 矩形轻量化孔准直镜轻量化率为75.3%, PV值约为107.03 nm; 准直镜环境温度变化为10 K时, 准直镜形变约增加一倍。研究结果表明: 三角形轻量化孔综合评价优于矩形孔; 准直镜结构轻量化多目标优化设计全面考虑了准直镜结构轻量化、轻量化孔形状要素和光学面型形变等多学科之间耦合问题, 设计者可按需选择全局范围内最满意的最优解, 这将大幅度降低开发成本和周期。
极大望远镜 宽视场光谱仪 准直镜 轻量化 多目标遗传算法 extremely large telescope wide field spectrometer collimating mirror lightweight multi-objective genetic algorithm
1 中国科学院国家天文台, 北京 100012
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 西华师范大学物理与空间学院, 四川 南充 817000
4 Aarhus University, Aarhus, Danmark
5 中国科学院国家天文台南京天文光学与技术研究所, 江苏 南京 210042
中国SONG项目(Stellar Observations Network Group)是中国天文界参与的一个国际合作的天文学研究计划。 其核心是利用高分辩光谱仪获取恒星的时序光谱。 光谱仪的分辨率根据科学目标的要求, 用不同的狭缝宽度实现R=60 000～120 000。 利用碘蒸汽发射线定标的方法, 实现高达1 m·s-1的视向速度测量精度, 以此测量恒星表面由于恒星震动产生的多普勒运动, 并实现项目的科学目标。 SONG光谱仪是项目的核心设备, 将介绍光谱仪的性能和天体物理应用的参数, 并给出实际测量结果。 作为一个测量恒星表面多普勒运动时序数据的仪器, 整个系统的长期稳定性是项目取得成功的关键, 在此也将展示仪器稳定性方面的工作。
高分辩光谱仪 高精度视向速度测量 High resolution spectrograph High precision radial velocity measurements
1 中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所, 江苏 南京 210042
2 中国科学院天文光学技术重点实验室, 江苏 南京 2100420
利用光学设计软件ZEMAX和Python软件联合实现空间引力波望远镜光程差(optical path difference, OPD)精密求解; 通过动态数据交换(dynamic data exchange, DDE)实现ZEMAX软件和Python软件数据交换: 首先, Python软件对有限元分析后望远镜镜面数据进行处理, 并将分析结果通过DDE传输给ZEMAX进行光线追迹; 其次, ZEMAX软件对追迹后的光线坐标再通过DDE传回Python软件; 最后, Python软件通过全局坐标系, 计算刚体平移带来的光程差和波前的变化。模拟1 mK温度变化下引力波望远镜的受力变形, 通过ZEMAX软件和Python软件求解空间引力波望远镜光程差和波前变化, 结果表明光程差精度为1e-13米量级, 完全可以满足望远镜皮米级稳定性精度要求。本研究可为后续引力波望远镜光机结构方案设计中光程差分析提供技术参考。
空间引力波望远镜 光程差 ZEMAX软件 Python软件 动态数据交换 space gravitational wave telescope OPD ZEMAX Python DDE
