1 中国科学院南京天文仪器研制中心，江苏 南京 210042
2 中国科学技术大学，安徽 合肥 230022
3 中科院南京天文仪器有限公司，江苏 南京 210042
太阳望远镜内部因太阳辐射作用使镜面升温，镜面上方产生局部大气湍流，导致镜面视宁度不佳，从而造成像质的严重衰减。文中基于温度梯度和气体流动导致固体-流场的耦合作用，提出镜面视宁度效应的形成机制，建立湍流大气光学产生镜面视宁度效应的理论，利用1 550 mm大口径双曲面镜的实验数据推导并验证镜面视宁度的实验模型，并对太阳望远镜主镜温控目标进行确定。在自然对流和强迫对流两种条件下，不同环境风速时镜面温差改变对镜面视宁度的影响。结果表明：镜面温差和环境风速与镜面视宁度相关性很强，增加主动通风可以降低镜面视宁度。温差是4 ℃条件下，自然对流时镜面视宁度为 1.43″；温差是 3 ℃条件下，0.2 m/s 强迫对流时镜面视宁度为 0.44″，1 m/s 强迫对流时镜面视宁度为 0.27″。根据镜面视宁度效应容差标准，在0.2 m/s强迫对流条件下，镜面-空气温差应控制在0.2 K以下；在1.0 m/s强迫对流条件下，镜面-空气温差应控制在1 K以下。此研究成果旨在揭示空气湍流的形成机理与传播规律及其对望远镜像质退化影响规律，为提升大口径太阳望远镜工作分辨率奠定基础。
大气光学 镜面视宁度 大气湍流 太阳望远镜 弗劳德数 atmospheric optics mirror seeing atmospheric turbulence solar telescope froude number 红外与激光工程
2024, 53(1): 20230412
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
望远镜分辨率和集光能力与其口径成正比。随着人类对于望远镜分辨力要求的日渐严格，望远镜的镜面尺寸也在不断的增加。镜面尺寸的不断加大，使镜面视宁度变得越来越重要。镜面视宁度主要是指由于镜面表面的湍流所导致的像质下降。当镜面尺寸超过当地大气湍流尺度时，就不得不考虑这一因素对于成像或者加工的影响。系统的工作环境在一定程度上会影响镜面视宁度，所以镜面视宁度对于集成检测过程也有重要的意义。因此，为了提高镜面加工的面形精度，检测系统的集成效果，必须精确测量仪器的镜面视宁度，从而为其加工检测和应用集成提供判断。文中从原理、研究现状以及在镜面视宁度上的应用三个方面出发，阐述了一维检测（自准直仪法等）、二维检测（斜率/曲率法、全息波前传感法和剪切干涉法等）、三维检测（全息粒子测速法与温度场法等）。通过介绍面向不同场景与检测要求的检测方法，对镜面视宁度的检测具有很好的指导意义。
镜面视宁度 湍流 检测方法 应用 mirror seeing turbulence test method application 红外与激光工程
2023, 52(2): 20220488
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
随着光学元件的口径增加，无论是在加工检测还是在站址观测过程中，镜面视宁度的影响已经越来越难以忽略。在此情况下，研究可以定量测量镜面视宁度的方法与设备就显得十分重要。基于曲率/斜率混合传感策略，结合冷冻湍流假设实现镜面视宁度评价在时-空域上的转化，实现对镜面视宁度大动态范围的检测。首先，对曲率/斜率混合传感的基本方法进行了理论推导，并以标准化点源敏感性作为评价指标进一步分析了检测过程中的镜面视宁度变化。实验结果显示，在热扰动流场较为均匀时，镜面视宁度的影响较流场反复变化时小，由于湍流不稳定所引入点源敏感性（PSSn）为0.971 8。实验结果证明基于曲率/斜率混合传感的方法可以定量分析大口径光学元件镜面视宁度，对于后续开展的大口径系统设计优化与检测加工具有很好的指导意义。
大口径光学系统 镜面视宁度 曲率传感 波前斜率 large optics system mirror seeing curvature sensing wavefront slope 红外与激光工程
2021, 50(7): 20200419
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
大口径太阳望远镜主镜直接暴露在空气中,主镜与环境的温差会引起视宁度效应。为降低视宁度效应,研究了主镜底部制冷空气的温度、风速及气刀风速对视宁度的影响。结合南京大学2.5 m多功能望远镜ISMAT的主镜进行热控技术研究,并以0.02 arcsec的主镜视宁度为优化目标。数值求解结果表明:没有气刀时,满足优化目标的制冷空气温度为283.15 K,进口风速为3.5 m/s;有气刀时,满足优化目标的制冷空气温度为283.15 K,进口风速为3m/s,气刀风速不小于3 m/s。
成像系统 温度场 视宁度 整场数值求解 气刀 光学学报
2018, 38(11): 1112001
1 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610209
2 中国科学院光束控制重点实验室, 四川 成都 610209
3 中国科学院大学, 北京 100049
随着望远镜口径的增大, 主镜热惯性增大, 主镜温度相对于环境温度的滞后性引起反射面热边界层形成热湍流波动, 严重影响望远镜成像质量。介绍了一种基于CFD仿真和光程差累积的计算方法评估主镜反射面热边界层的湍流波动对成像质量的影响。以3.0 m口径的主镜为例, 仿真计算了自然对流下和强迫对流下不同温升的反射面热边界层分布, 将热边界层的流场参数转化成折射率场分布, 采用光程差累积法得到反射面热边界层的成像质量。结果可以定量地描述反射面热边界层对成像质量的影响; 验证了现有天文观测要求主镜反射面与环境温差小于±2 K的合理性; 同时证明了主镜反射面热控措施使得强迫对流下的光程差比自然对流下的下降了一个数量级, 显著提高了主镜视宁度, 进一步表明反射面热控措施对改善成像质量具有重要意义。
大口径望远镜 热边界层 湍流波动 主镜视宁度 成像质量 large-aperture telescope thermal boundary layer turbulence fluctuation primary mirror seeing image quality 红外与激光工程
2018, 47(12): 1218005
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 长春理工大学 , 吉林 长春 130022
为了保证大口径光学镜面加工检测的质量和效率, 提出了提高大口径光学系统镜面视宁度检测精度的方法。利用电子自准直仪以及平面镜确定波前斜率, 推导了基于斜率信息与镜面视宁度之间的关系。为了提高测量精度, 突破单台自准直仪精度限制, 采用三台自准直仪进行互标校。为了进一步降低误差, 使用六自由度平台支撑立方反射体, 使精度提高至0.01″量级。另外, 结合频响函数的相关理论, 估计得到了六自由度平台在检测环境下所引入的误差。最后, 引入标准化点源敏感性(PSSn)对结果进行评价, 并开展了数值仿真实验。针对模拟镜面视宁度, 分别计算两个方向的斜率功率谱以及原始波前功率谱, 然后利用之前给出的功率谱与PSSn之间的关系得到了两个方向的PSSn均为0.999。该镜面视宁度测量方法可以在模拟望远镜实际工况下, 完成对于系统主镜视宁度的定量预测。
光学检测 镜面视宁度 大口径光学系统 功率谱 自准直仪 optical test mirror seeing large aperture optical system Power Spectral Density(PSD): autocollimator 光学 精密工程
2017, 25(10): 2572
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
考虑光学望远镜系统的设计和配备与镜面视宁度相关, 本文引入了标准化点源敏感性(PSSn)来改善传统评价手段的局限性, 以实现镜面视宁度的全频域内评价。介绍了镜面视宁度的概念以及各大口径望远镜对镜面视宁度的检测与评价方法, 同时指出了之前使用的评价指标与评价方法的缺点不足。基于30 m望远镜研究团队所提出的全频域评价指标——标准化点源敏感性(PSSn)提出了新的评价方法。分析了PSSn的特性, 并利用其良好的合成特性以及不同的曝光函数, 得到了不同曝光条件以及视宁条件下的PSSn表达式。最后, 利用在大口径波前上随机选取子孔径的方法, 模拟了冻结湍流假设下的镜面视宁情况, 并对其PSSn的变化进行了估计, 验证了本文方法的可行性。基于本文所提出的对于镜面视宁度的评价与分析, 系统工程师可以全面客观地评价大口径系统的镜面视宁度, 结合PSSn的优良合成特性建立合理的误差树, 有效提高匹配精度, 降低系统建造成本。
大口径望远镜 镜面视宁度 标准化点源敏感性(PSSn) 视宁度评价 冻结湍流 功率谱 large aperture telescope mirror seeing Normalized Point Source Sensitivity(PSSn) seeing evaluation frozen turbulence power spectral density
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春130033
2 中国科学院 大学, 北京 100039
由于地基大口径望远镜主镜视宁度与望远镜系统成像质量相关,本文研究了环境对主镜视宁度的影响.理论分析了影响主镜视宁度大小的因素,得出主镜视宁度会随主镜表面和环境之间温差的增大而增大的结论.利用有限元法分析了自然对流和吹风条件下主镜的温度变化和温度分布;最后通过相应工况条件下2 m SiC轻量化主镜的温度测试实验对仿真分析结果进行了验证.实验结果显示:在初始温差为6℃的无风自然对流情况下,主镜与环境达到温度平衡约需4 h;而在初始温差为8℃的吹风情况下,主镜与环境达到热平衡仅需1.5 h.分析和实验结果表明:采用强迫对流热控措施可快速而有效地将主镜视宁度控制在合理的范围内,可获得更多的望远镜观测时间,同时保证大口径望远镜系统的成像质量.
大口径望远镜 SiC轻量化主镜 视宁度 温度梯度 large aperture telescopy lightweight SiC primary mirror mirror seeing temperature gradient
1 中国科学院光电技术研究所自适应光学研究室, 四川 成都 610209
2 中国科学院自适应光学重点实验室, 四川 成都 610209
3 中国科学院大学, 北京 100049
综合考虑非线性气温环境和主镜视宁度表面“气刀”强制对流换热，对地基望远镜主镜瞬态温度场理论模型进行研究，结合分离变量法和格林函数法求解出温度场的解析表达式。以4 m主镜为例，运用温度场理论模型解析解，对主镜视宁度进行了分析计算。分析了“气刀”对主镜视宁度的改善效果；讨论了“气刀”风速与主镜视宁度的关系；分析了不同径厚比对主镜视宁度的影响。利用有限元方法分析4 m主镜温度场，与所推导的温度场理论结果进行比较，二者获得了较好的一致性。主镜温度场理论解在望远镜主镜设计中具有普适的应用价值。
成像系统 温度场分布 主镜视宁度 望远镜主镜 热传导
1 中国科学院光电技术研究所自适应光学研究室, 四川 成都 610209
2 中国科学院自适应光学重点实验室, 四川 成都 610209
3 中国科学院研究生院, 北京 100049
4 国防科学技术大学光电科学与工程学院, 湖南 长沙 410073
提出了地基望远镜主镜在环境温度变化时的温度场理论模型，结合分离变量法和格林函数法求解出温度场的解析表达式。运用温度场理论解，分别以熔石英和BK7两种常用材料为例，在特定环境条件下,定量分析了传统主镜和薄主镜的主镜视宁度与主镜口径之间的关系；针对4 m口径的传统主镜和薄主镜定量分析了其主镜视宁度与周围空气温度下降斜率的关系。地基望远镜主镜温度场理论计算的结果在主镜设计阶段对主镜视宁度的估量具有较大的参考价值。主镜温度场理论解还可以运用于各种口径及材料的主镜热变形及热应力计算等方面，具有普适的参考价值。
成像系统 温度场分布 主镜视宁度 望远镜主镜 热传导 光学学报
2012, 32(10): 1022001
