[指导]远红外望远镜干涉试验：光学调整系统

远红外望远镜干涉试验:光学调整系统摘要:我们开发了一个气球携带的，天文的远红外干涉仪望远镜实验(FITE)，这是一个 斐索型双光束干涉仪，包括两个离轴抛物面反射镜。因此，建立一个方法是很重要的，通过它，两个光束可以同时调整，传统的哈特曼测试最初被使用;然而，它有两个缺点，一:我们不能够同时测量两个光束，二:它是耗时的。我们开发了一种新的光学调整系统可以同时测量和评估两个光束通过使用哈特曼波前传感器。在第一阶段:波前传感器的视场适于40厘米(光束直径)的全光束，并且反射镜的面精度和镜对准被测量并调整为一个光束。两光束的调整后，焦点重合在远红外传感器系统通过扩展波前传感器的视场以便使它包含两束光。使用这种新的方法，我们可以实现对会聚光束的实时测量和分析，并且还可以实现单、双光束模式之间快速切换。我们通过进行实验室测试证明这种新的调整方法;我而们还专门为远红外干涉仪望远镜试验一种新的光学调节系统。为了制造该系统，我们需要一个大而精确的、R=300mm和D=300mm的球面反射镜作为基准镜，来使用波前传感器同时校准的两束光束。为了两个光束的准直，我们还制造一个F /1透镜，一个Keplarian扩束器和光束的交换系统。我们将很快组装这种光学调节系统，并将其应用到远红外干涉仪望远镜试验干涉仪系统的光学调整。 关键词:光学设备制造，光学干涉 一、介绍 A.远红外天文 在星际空间，有许多漂浮的固体颗粒物(粉尘)吸收来自星星辐射的电磁波，而它们也根据它们的温度发出红外辐射，尘埃被认为是一种来源于如地球一样的岩石行星的。因此，观察来源于尘埃的红外热辐射以及研究它们的密度分布是很重要的。要在这一中做到这一点，我们需要实现约1角秒的空间分辨率。这一方案中像我们的太阳系一样,系外行星系统的形成过程也是连续的。原则上来说，一个望远镜的空间分辨率被衍射极限限制。由圆形光圈望远镜获得的衍射极限的空间分辨率是 其中是波长，D是望远镜的直径。在这个等式中，在特定的波长下为了增加分辨率，我们需要确定望远镜的直径。因此，在相同的直径下，与可见光、近红外和热红外辐射相比，远红外线望远镜的空间分辨率要低得多。此外，远红外线辐射大量的的被地球的大气吸收，因此，我们必须启动该望远镜到平流层或更高。由于这些原因，至今在远红外区域没有望远镜能够达到1弧秒的空间分辨率。 B.远红外望远镜干涉试验项目 远红外望远镜干涉试验(FITE)被开发来观察的远红外线辐射具有较高分辨率的斐索型干涉仪。图1显示了FITE的望远镜结构。我们用高度达到30km的热气球来启动它。通过使用科学的气球，发射望远镜的成本跟火星和卫星相比也显著降低。因此，我们将扩大至基 [1]。 FITE由两部分组成。一部分是望远镜，其功能是作为一个干涉仪。另一准日后20米 部分是控制部分。该光学系统是由四个平面镜和两个离轴抛物面反射镜组成的。从天体的两束入射光由初级和次级平面镜反射。在这之后，两个光束聚焦在两个抛物线对干扰的共同焦 点。图2显示了FITE提出的干涉仪系统。 图1:FITE望远镜结构，该图中的箭头表示出了从观测目标射出的光。 图2:FITE干涉仪系统。干涉仪光学系统由四个平面镜和两个离轴抛物面组成。在该图中展现了来自观察目标的光，在低恒温器的干扰下两束光被聚焦在抛物线的共同焦点。 图3:示意了FITE新的光学调节系统。红色文字显示对应于单个测量模式五种不同的配置。蓝色文字显示了这些模式。 二(新的光学调节系统 我们对以前采用的传统的哈特曼检验干涉仪光学系统进行了评估和调整，在该测试中，我们是用了一个由一组小孔组成的哈特曼板。每两个孔之间间隔相等。进出焦光班的位置是收敛最好的位置。然而我们无法获得实时的结果，因为这种方式需要在不同位置进行图像的射击和曼哈顿分析。因此，效率不高。为了精确和有效地调节干涉仪系统，我们通过使用Shack-Hartmann波前传感器设计一个新的调节系统，进行实验室测试，证明其功能和性能。首先，我们在实验室中证实具有两种操作模式的装置的新应用:单光束测量和双光束同时测量[2]。现在，我们可以从Shack-Hartmann波前传感器的每个镜头中推导出光学干涉的调节程度。所以，我们预期，使用这种新方法，FITE调节仪的调整将在几个小时以内 完成，二用以前的方式完成需要用几天，接下来，我们为FITE设计了新的光学调节系统，图四展示用它使用的仪器。两个抛物线的光学对准所需的精度被确定为在热红外波段的相干性，=25um，表一详细的列出了精确数据，两条沿光轴抛物线和两平行光的焦点不一致在飞行过程中通过地面的远程控制被调节了。该光学系统需要进行调整，以使图像质量在发射前半径小于1.1角秒。新的光学调节系统可以测量和评估FITE干涉仪的图像质量。 图4:FITE新的光学调整系统的设施。这种调节系统质量为35kg 图五:左上图:F/1准直透镜的3-D的布局。该镜头由三个现成的镜头产品组成。右上图:在这个准直透镜的焦平面图像质量。左下:组装镜头的画面。右下图: 使用的Shack-Hartmann波前传感器的准直透镜的测试数据。此数据表明，在测试的准直透镜获取的FITE干涉仪系统所要求的精度。 图6:左上图:Keplarian激光扩束镜的3-D的布局。该透镜包括五个现成镜片产品和针孔。右上图:在这个镜头的焦平面图像质量。左下图:组装镜头画面与支托之物。右下图:使用的Shack-Hartmann波前传感器获得的Keplarian激光扩束波前误差数据。此数据表明，在测试Keplarian激光扩束透镜具有1.8的峰 - 谷值。 图7:左图:一张用于新的光学调整系统对的Shack–Hartmann波前传感器的照片。右上图:特写镜头座的照片。右下图:镜头部分。这样的Shack-Hartmann波前传感器采用两个微透镜阵列和具有20毫米×10毫米的尺寸。 CCD阵列大小为这台相机为13.8毫米×9.8毫米。 三(光学器件加工 为了开发这种新的光学调节系统，我们需要下面的光学器件，都是我们设计和建造。 A. F /1准直透镜 两个离轴抛物面反射镜的F比大约是F /1。因此，要同时测量两个反射镜表面，我们需要一个F /1准直透镜。根据FITE干涉仪的要求，我们需要使用一个准直透镜，具有小于1.1角秒的图像质量。然而，这样的透镜不能在具有足够FITE光学精度在635纳米现成的产品中找到。所以，我们使用现成的镜头产品设计了一个适合性能的组合的F /1镜头。我们设计和制造的镜头支架，如图5所示，在这之后测试它们。使用光学设计CAD(ZEMAX)，我们做了一个逆波束仿真， 发现为0.55弧秒的半径的图像质量相对应的约4在635纳米的波阵面的精度。换句话说，具有0.55角秒的半径的图像质量的准直透镜满足FITE干涉仪(1.1弧秒半径)的要求。从二极管激光器的光聚焦在扩散器上。一部分漫射光通过直径为5um的针孔去实现点光源。针孔被放置在准直透镜的焦点。因此，从焦点到达准直透镜的光束在穿过准直透镜后变成准直光束。我们可以通过测量光束的波阵面误差确定透镜系统的对准精度。基于实验室的测试结果，我们证明了它们满足要求的精度。测试结果表明，该准直透镜实现-2.6P-V的精度。两条抛物线的光学对准的要求的精度是由在FITE中=25um的中红外波长带的相干性确定的。 图8:左图:球面参考镜的照片。右图:参考镜信息的表格。平面镜的直径是300mm，平面镜的在555nm的精度是。 B. Keplarian Laser Beam Expander 出于这个原因，我们还构建了Keplarian激光束。它由五个商业镜头组成，我们测量拓展到被引入激光光束的输出激光光束的波阵面误差，在拓展中交点处的针孔的直径是5um，测试结果表明，该Keplarian激光扩束器实现1.8的P-V的精度，如6图所示。 C. Shack-Hartmann波前传感器 FITE新的光学调整系统使我们不仅仅只能测量一个光束，而是同时测量两个光束。现成的Shack-Hartmann波前传感器是不能够同时测量两个光束的。因此，我们为FITE构建了一个Shack-Hartmann传感器并且用C语言开发了一个软件，能同时分析两个波前误差图，如图7所示。CCD阵列的大小是13.8毫米X9.8毫米。为了弥补CCD阵列，我们插入了两个微透镜阵列，并设置其大小为20毫米×10毫米。此外，我们选择了规格适合于FITE光学调节系统的微透镜阵列。此外，我们选择了微透镜阵列规格适合于FITE光学调节系统。我们构建FITE的光学调整系统的测试模型，并进行了实验室试验以证明在透镜阵列的性能。最后，我们选择了一个焦距为18mm和微透镜直径为0.5mm的微透镜阵列。 D. 参考镜 最后，我们需要高品质的参考镜作参考之用。因为FITE收集光学器件的总F比包括2离轴抛物面反射镜是约1，我们设计和制造，其直径为300毫米的F/0.5球面参考反射镜。这面镜子是光学研磨制成。反射镜的精确度采用经典的刀口方 法来测定。反射镜和它的信息如图8所示。 E. 系统性能 表II示出了对准系统的误差预算的个别误差的总和是小于1.1角秒所要求的精度。 四(结论