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1. 簡介 3LDsxE=N:q  
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這里呈現(xiàn)了ESA/NASA太陽軌道任務(wù)望遠鏡反射鏡單元的設(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。它由兩個望遠鏡組成。離軸Ritchey-Chrétien（RC）高分辨率望遠鏡（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。折射全盤望遠鏡（FDT）可以在軌道的各個階段成像全部太陽圓面。每個望遠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。 /4$4h;_8  
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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。 p_{("zQ  
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本文的結(jié)構(gòu)如下。在接下來的部分中，呈現(xiàn)了望遠鏡的光學(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。 /qU>5;  
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2.光學(xué)設(shè)計和性能 ,Q/Ac{C  
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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。由于望遠鏡沒有實際的中間焦點，進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，望遠鏡需要完全工作在-30°C（遠日點）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。把這個考慮進去，總的預(yù)算很容易下降到25nmWFE需求以下。 ~ttY(wCV  

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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。 j>Ag\@2ME  
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可通過在制造和裝配過程進一步改善波前，如插入和反射鏡錐體的共同研磨，反射鏡的性能可以得到極大的提高。FM的干涉圖描繪在圖5（M1）和圖6（M2）中。顯然，可以分別實現(xiàn)優(yōu)良的均方根波前誤差值低至為17nm和19nm。因此，對于誤差預(yù)算（制造+振動）所建立的要求可以用一個舒適的余量來滿足。此外，在離子束成形（IBF）、熱循環(huán)和振動后，由于QM觀察的振動載荷導(dǎo)致的表面微小偏差，對于FM反射鏡可以避免，對于與干涉圖對立的M1反射鏡，恰好如圖7所示。波前誤差只是輕微的下降，要觀察的形狀沒有顯著的變化。 ] asBd"  
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然后，將測量數(shù)據(jù)（整數(shù)格式）導(dǎo)入到光學(xué)設(shè)計軟件中，并且運行性能分析。用這種方法，可以證實如果調(diào)整合適，完成的望遠鏡能夠滿足Strehl > 0.8的要求。另外，“完成”的望遠鏡系統(tǒng)對高質(zhì)量的反射鏡的衍射MTF’s模擬如下所示（圖8，左）。作為比較，也為一個在早期拋光不合格的次反射鏡的系統(tǒng)模擬了MTF’s，該系統(tǒng)在靠近邊緣處顯示出嚴重的波前擾動（圖8，右），寬帶-均方根（MSF）大約為7nm（見章節(jié)3）。當(dāng)高質(zhì)量系統(tǒng)的MSF下降到大約1%時，退化的系統(tǒng)顯示大約5%，這恰好證實了圖9的估計。由于與真實的待觀察對象（見圖1）已經(jīng)很低的對比，這是不可接受的。請注意，截止頻率準確的計算為。 O 5Nb  
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3. 表面粗糙度 zsXoBD\h  
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對于反射光學(xué)系統(tǒng)來說，表面粗糙度尤為重要，因為它直接轉(zhuǎn)化為雜散光光斑[1]。在PHI儀器的HRT部分中，雜散光有許多貢獻者。使用功率譜密度（PSD）可以讓表面粗糙度得到最好的討論。球體的光學(xué)制造技術(shù)具有部分刀具幾何形狀，可以產(chǎn)生長尺度長度的表面抖動，稱之為形狀誤差。同樣，表面斷裂力學(xué)可以導(dǎo)致短的空間尺度長度的抖動，稱之為微粗糙和散射。因此，通常只有兩個數(shù)字被指定：依據(jù)Nijboer Zernike多項式或形狀偏差，和用均方根粗糙度給出的表面粗糙度。形狀誤差已經(jīng)在先前的章節(jié)討論過。表面（高頻）粗糙度通常用顯微干涉測量儀器（見下文）。 *e#<n_%R  
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此外，HRT反射鏡表面是高階非球面的。使用現(xiàn)代鉆石單轉(zhuǎn)和拋光技術(shù)納米級精度進行加工。最后的拋光步驟通常使用離子束成形技術(shù)完成。因此，它們?nèi)菀滓�起殘留的周期性表面起伏，通常被稱為波紋或者中空間頻率（MSF）誤差。這些誤差可能會導(dǎo)致相當(dāng)大的對比度惡化，尤其是對于像太陽一樣的擴展物體的觀察，這些特性是特別有害的。因此，需要另一個標準來指定這些表面MSF’s對成像質(zhì)量的影響。由于MSF粗糙度σ導(dǎo)致的對比度下降可以通過來估計，其中σ是均方根粗糙度[2]。這種特性如圖9所示。因此，對于反射鏡表面，允許的0.5%的對比度下降會引入2…2.5nm的MSF粗糙度。另外，高空間頻率粗糙度適用于微干涉儀范圍，即對于0.4/nm到20/mm（2.5倍放大率）粗糙度小于1.5nm，5/mm到500/mm(40倍)，粗糙度小于0.8nm。兩個放大范圍的實驗數(shù)據(jù)已經(jīng)收集，產(chǎn)生的PSD曲線如圖10所示（藍和紅）。然后，在上面使用Harvey-Shack BSDF（雙向散射分布函數(shù)）進行數(shù)據(jù)擬合[1,3]，最后的參數(shù)為b0=80，S=-2.8以及L=0.001（綠色）。 7piuLq+