Hα和白光望远镜的热光学试验

　　1　引　言

　　对于要求达到衍射极限的高分辨率望远镜,由于热弹性变形、热光学效应和应力光学效应的存在,温度环境和应力环境将对其成像质量产生重要影响。其中,热弹性变形造成的结构变形、光学元件面形和方位、间隔变化是对光学性能的主要影响因素。对于要求达到衍射极限以太阳为观测目标的空间光学望远镜,这种温度场对光学系统性能的影响就更加突出[1]。

　　为了在设计和分析阶段综合考虑光、机、热等各分系统设计参数的相互制约关系,国际上广泛采用光机热一体化分析和设计方法[2-10],这种方法将数据接口的处理,将热分析模型,力学有限元模型以及光学模型结合起来,分析在具体温度环境下运行的高分辨率光学系统的性能,这对于高性能光学系统的设计和维护具有重要意义。尽管如此,由于数值模拟在逼近真实物理情形时的局限,对于根据光机热一体化分析和设计原则构建的光机系统,其在既定温度环境下的光学性能需要进行热光学试验才能获得最终验证。热光学试验主要是通过主动或被动温度控制措施,对光学系统的关键部分进行必要的温度控制,形成一定的温度环境,并通过光学检测系统检测在相应温度环境下的光学性能,从而确定光学系统在相应温度环境下的光学性能是否满足要求,并且进一步获取光学性能随温度环境的变化规律。

　　本文以空间太阳望远镜(SST)有效载荷之一Hα和白光望远镜(HWT)的地面样机为对象,建立了热光学试验系统,将HWT置于真空镜筒中,在-0.1 MPa的真空度下进行了系列温度控制工况下的热光学试验。

　　2　HWT热光学试验系统的设计

　　HWT热光学实验的目的是获得该望远镜在典型工况下的光学性能,考察其在设定温度环境下能否满足设计要求,并且获得该望远镜光学性能随温度环境的变化关系,为同类光学仪器光机热一体化设计提供参考。HWT热光学试验系统是在HWT地面试验样机和地面观测系统[11]的基础上改造而成的,由4个基本系统组成:被测光学系统(HWT)、真空系统、温度测量与控制系统和光学波前检测系统。为减小地面振动对试验的影响,整个试验在气浮隔振的光学试验台上进行。HWT热光学试验的主要原理流程见图1。

　　2.1　被测光学和结构系统

　　Hα与白光全日面望远镜有Hα和白光两个光路,本试验仅以Hα光路为研究对象。HWT光学系统主要部分是由一块直径12 cm的抛物面镜和一块卡赛格林反射镜组成的卡赛格林系统,视场为42′×42′,主焦比为F/3.5,系统焦距为1.24 m,系统焦比为F/10.4,设计要求达到衍射极限。Hα光路原理如图2所示。